JP2006324432A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、MOSFET(絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)、IGBT(伝導度変調型MOSFET)、バイポーラトンラジスタ等に適用可能で、高耐圧化と大電流容量化が可能な半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention is applicable to MOSFETs (insulated gate field effect transistors), IGBTs (conductivity modulation MOSFETs), bipolar ton transistors, and the like, and a semiconductor device capable of increasing the breakdown voltage and increasing the current capacity, and a method for manufacturing the same. About.
半導体基板の両主面間、すなわち基板の厚さ(縦)方向に主電流が流れる縦型半導体装置は、オン状態のときにドリフト電流が流れる方向と、オフ状態のときにpn接合への逆バイアス電圧による空乏層が伸びる方向とが同じである。このため、通常のプレーナ型のnチャネル縦型MOSFET(絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)では、オン状態のときに半導体基板の厚さ(縦)方向に流れる電流は、前記基板中で相対的に最も高抵抗のドリフト層の厚さによってオン抵抗が決まるので、ドリフト層を薄くすれば、ドリフト抵抗が低くなって縦型MOSFETの実質的なオン抵抗が下がり、ドリフト層を厚くすれば、オン抵抗は大きくなる。
その一方で、縦型MOSFETは、オフ状態でpn主接合の逆バイアス電圧(耐圧)ににより拡がる空乏層幅を許容するドリフト層幅(厚さ)を必要とするので、高耐圧にするにはドリフト層をさらに厚くする必要がある。しかし、前述のようにドリフト層を厚くするとオン抵抗は大きくなり、損失が増加するので、同時に前記両特性を改良できないという問題を有することになる。この現象は、IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)やバイポーラトランジスタやダイオード等の半導体装置においても同様に成立することが知られている。オン抵抗と耐圧間の前述のような関係をトレードオフ関係と称している。このようなトレードオフ関係を解消して両方の特性を同時に改善することは容易ではないが、改善への要望も強い。
A vertical semiconductor device in which a main current flows between both main surfaces of a semiconductor substrate, that is, in the thickness (vertical) direction of the substrate, has a direction in which a drift current flows in an on state and a reverse to a pn junction in an off state. The direction in which the depletion layer extends due to the bias voltage is the same. For this reason, in a normal planar type n-channel vertical MOSFET (insulated gate field effect transistor), the current flowing in the thickness (vertical) direction of the semiconductor substrate in the on state is relatively the largest in the substrate. Since the on-resistance is determined by the thickness of the high-resistance drift layer, if the drift layer is made thinner, the drift resistance is lowered and the substantial on-resistance of the vertical MOSFET is lowered, and if the drift layer is made thick, the on-resistance is growing.
On the other hand, the vertical MOSFET requires a drift layer width (thickness) that allows the depletion layer width to be expanded by the reverse bias voltage (breakdown voltage) of the pn main junction in the off state. It is necessary to make the drift layer thicker. However, as described above, when the drift layer is thickened, the on-resistance is increased and the loss is increased. Therefore, there is a problem in that both characteristics cannot be improved at the same time. This phenomenon is also known to hold in semiconductor devices such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), bipolar transistors and diodes. The above-described relationship between on-resistance and breakdown voltage is referred to as a trade-off relationship. It is not easy to eliminate such a trade-off relationship and improve both characteristics at the same time, but there is a strong demand for improvement.
上述したトレードオフ関係を解消する一案として、ドリフト層を、不純物濃度を高めた薄板状のn型半導体層とp型半導体層とを交互に繰り返し密着配置してなる並列pn接合集合体を電流経路に平行となるように複数並べた細条並列pn層により構成されるようにした超接合半導体装置が公知である。このような構造の超接合半導体装置は、オン状態では高不純物濃度の細条並列pn層により、低オン抵抗が得られ、オフ状態では、空乏層が、細条並列pn層の縦方向に伸びる各pn接合から細条の幅方向に容易に広がりきり、厚いドリフト層全体を容易に空乏化するため、高耐圧化を図ることができる。すなわち、この超接合半導体装置によれば、低オン抵抗と高耐圧の両特性を改善できるので、前記トレードオフ関係を解消できる。
従来、前述した細条並列pn層を備える前記超接合半導体装置の具体的な製造方法として、基板上へのn型半導体層のエピタキシャル成長とp型不純物の選択イオン注入を繰り返し行って細条並列pn層を形成する方法(以下、多段エピタキシャル成長法とする)が公知である(たとえば、特許文献1、特許文献2参照。)。また、別の製造方法として、n型半導体層に並列トレンチを形成し、その並列トレンチをp型半導体のエピタキシャル成長層で埋めて細条並列pn層を形成する方法(以下、トレンチ埋め込み法とする)が提案されている(たとえば、特許文献3参照。)。
As a proposal for eliminating the trade-off relationship described above, a parallel pn junction assembly in which a drift layer is formed by alternately and closely arranging thin n-type semiconductor layers and p-type semiconductor layers with an increased impurity concentration is used as a current. A super-junction semiconductor device configured by a plurality of strip parallel pn layers arranged in parallel to a path is known. In the super junction semiconductor device having such a structure, a low on-resistance is obtained by the high impurity concentration strip parallel pn layer in the on state, and a depletion layer extends in the vertical direction of the strip parallel pn layer in the off state. Since each pn junction can easily spread in the width direction of the strip and the entire thick drift layer is easily depleted, a high breakdown voltage can be achieved. That is, according to this superjunction semiconductor device, both the low on-resistance and the high breakdown voltage characteristics can be improved, so that the trade-off relationship can be eliminated.
Conventionally, as a specific method for manufacturing the superjunction semiconductor device having the above-described strip parallel pn layer, the strip parallel pn is formed by repeatedly performing epitaxial growth of an n-type semiconductor layer on a substrate and selective ion implantation of p-type impurities. A method of forming a layer (hereinafter referred to as a multi-stage epitaxial growth method) is known (see, for example,
前記トレンチ埋め込み法は、前記多段エピタキシャル成長法よりもエピタキシャル成長回数が少ないので、コストを低く抑えることができるという利点がある。しかし、トレンチ埋め込み法で作製した超接合半導体装置では、耐圧を確保するために、活性領域だけでなくエッジ構造部に設けられる周辺耐圧構造についても、トレンチ埋め込み法で作製する必要があるので、従来の多段エピタキシャル成長法では可能であった活性領域と周辺耐圧構造とで、不純物濃度に差を設けて耐圧を向上させる構造または方法を採用することは容易ではない。
この点について、以下、詳細に説明する。以下の説明では、MOSFETは、すべてnチャネル型とする。また、ドリフト層中の細条並列pn層は、基板の厚さ方向に薄板状に伸びる細条形状のn半導体層とp半導体層とが交互に面を接した並列形状(基板の表面側から見ると並列ストライプという言い方が適切)の集合体を有する。なお、本明細書では、細条並列pn層のn半導体層(または、p半導体層)の深さ方向に伸びる方向を細条並列pn層のストライプに平行な方向と言い、それに直交する方向を細条並列pn層のストライプに垂直な方向と言うこととする。
The trench embedding method has an advantage that the cost can be reduced because the number of times of epitaxial growth is smaller than that of the multi-stage epitaxial growth method. However, in the superjunction semiconductor device manufactured by the trench embedding method, in order to ensure the withstand voltage, not only the active region but also the peripheral withstand voltage structure provided in the edge structure portion needs to be manufactured by the trench embedding method. It is not easy to adopt a structure or method for improving the breakdown voltage by providing a difference in impurity concentration between the active region and the peripheral breakdown voltage structure, which is possible in the multi-stage epitaxial growth method.
This point will be described in detail below. In the following description, the MOSFETs are all n-channel type. Further, the strip parallel pn layer in the drift layer has a parallel shape in which strip-shaped n semiconductor layers and p semiconductor layers extending in a thin plate shape in the thickness direction of the substrate alternately contact each other (from the surface side of the substrate). It has a collection of parallel stripes as appropriate. In this specification, the direction extending in the depth direction of the n semiconductor layer (or p semiconductor layer) of the strip parallel pn layer is referred to as a direction parallel to the stripe of the strip parallel pn layer, and the direction orthogonal thereto The direction is perpendicular to the stripes of the strip parallel pn layer.
下記特許文献1には、エッジ構造部の細条並列pn層において、活性領域よりも不純物濃度を低くしたり、ストライプのピッチを狭くしたり、ピッチを狭くするとともに不純物濃度を低くしたり、ピッチを広げるとともに不純物濃度を低くした構造が開示されている。さらに、特許文献1に開示された構造では、活性領域における細条並列pn層のp半導体層とn半導体層の総不純物量は互いに等しく、かつエッジ構造部、すなわち非活性領域における細条並列pn層のp半導体層とn半導体層の総不純物量も互いに等しい構造が示されている。
また、上記特許文献2には、エッジ構造部の細条並列pn層を上層部と下層部の2層に分割し、上層部の細条並列pn層についてのみ、不純物濃度を低くしたり、ストライプのピッチを狭くしたり、ピッチを狭くするとともに不純物濃度を低くしたり、ピッチを広げるとともに不純物濃度を低くした構造が開示されている。これら特許文献1および特許文献2に開示された超接合半導体装置は多段エピタキシャル成長法により作製されることができる。なぜなら、多段エピタキシャル成長法では、選択イオン注入時のドーズ量や、イオン打ち込み時の窓幅の比などを変えることによって、不純物濃度を変化させることができるので、エッジ構造部の細条並列pn層の不純物濃度だけを他に比べて相対的に低くすることは容易となるからである。
In
Further, in Patent Document 2, the strip parallel pn layer of the edge structure portion is divided into two layers of an upper layer portion and a lower layer portion, and the impurity concentration is reduced or striped only for the upper strip parallel pn layer. A structure in which the pitch is narrowed, the pitch is narrowed and the impurity concentration is lowered, or the pitch is widened and the impurity concentration is lowered is disclosed. These superjunction semiconductor devices disclosed in
一般に、半導体装置において、安定した耐圧を確保するためには、必ず、周辺耐圧構造を設ける必要がある。前記特許文献1,2に記載の多段エピタキシャル法により前記安定した耐圧を確保する周辺耐圧構造を形成すると、コストがかかりすぎるという問題がある。そこで、本発明者らは、特許文献3に開示されていてコスト面では有利と思われるトレンチ埋め込み法により、特許文献1に開示されているような周辺耐圧構造を形成できるようにするための技術について検討した。その結果、活性領域と非活性領域の細条並列pn層の幅については、形成するトレンチの幅と配置間隔(ピッチ)を変えることで制御可能であるが、不純物濃度に差を設けることは一回の埋め込みでは不可能であり、埋め込み回数を増やすことはコスト的に問題がある。
しかしながら、トレンチ幅の制御に関しても、非活性領域のトレンチ幅が過度に狭くなると、非活性領域のp半導体層の不純物濃度が低くなり過ぎるため、p半導体層の外側に空乏層を広げる効果が弱くなってしまう。そのため、空乏層の伸びが悪く、耐圧を確保しにくいという不都合が生じる。また、非活性領域のトレンチ幅が過度に狭くなると、トレンチの形成が困難になるとともに、トレンチのアスペクト比が高くなり過ぎるため、エピタキシャル成長によりトレンチを埋め込むことが困難になるという新たな問題が発生する。
また、特許文献2に開示されているような周辺耐圧構造を、トレンチ埋め込み法で形成する技術について検討した結果、非活性領域の細条並列pn層を上下に二分した上層部のp半導体層およびn半導体層のみの不純物濃度を変えることは、1回のトレンチ形成と1回のエピタキシャル成長による埋め込みでは不可能である。これは、トレンチ形成前の基板濃度が一様であることと、トレンチ埋め込み時の濃度が一様になってしまうことが原因である。
However, regarding the control of the trench width, if the trench width in the inactive region becomes excessively narrow, the impurity concentration of the p semiconductor layer in the inactive region becomes too low, so the effect of spreading the depletion layer outside the p semiconductor layer is weak. turn into. For this reason, the depletion layer does not grow well, and it is difficult to ensure a withstand voltage. In addition, if the trench width of the inactive region becomes excessively narrow, it becomes difficult to form the trench, and the aspect ratio of the trench becomes too high, which causes a new problem that it becomes difficult to fill the trench by epitaxial growth. .
Further, as a result of examining a technique for forming a peripheral withstand voltage structure as disclosed in Patent Document 2 by a trench embedding method, an upper p semiconductor layer obtained by vertically dividing a strip parallel pn layer in an inactive region into an upper and lower parts and It is impossible to change the impurity concentration of only the n semiconductor layer by one trench formation and one epitaxial growth filling. This is because the substrate concentration before trench formation is uniform and the concentration at the time of trench filling is uniform.
本発明は、上述した事情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、ドリフト層にトレンチ埋め込み法により形成される細条並列pn層を活性領域と共に耐圧構造部にも備える半導体装置において、逆バイアスによる電界を緩和する耐圧構造部とすることにより、耐圧構造部よりも活性領域で先にアバランシェ降伏が発生し、アバランシェ耐量が高く、高信頼性の耐圧特性を有する半導体装置を提供することである。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is a semiconductor device including a strip parallel pn layer formed in a drift layer by a trench embedding method as well as an active region in a breakdown voltage structure portion. By providing a withstand voltage structure that relaxes the electric field due to reverse bias, an avalanche breakdown occurs in the active region earlier than the withstand voltage structure, and a semiconductor device having high avalanche resistance and high reliability withstand voltage characteristics is provided. It is.
特許請求の範囲の請求項1記載の本発明によれば、前記発明の目的は、第1導電型の低抵抗基板層上に積層された第1導電型半導体層に、前記低抵抗基板層に達する深さに複数形成され平面が細条形状の並列トレンチと、該並列トレンチを埋める第2導電型半導体エピタキシャル層とを有し、前記並列トレンチ間の前記第1導電型半導体層と前記第2導電型半導体エピタキシャル層との集合体により細条並列pn層を構成してなる半導体装置において、前記第2導電型半導体エピタキシャル層の不純物濃度が前記第1導電型半導体層の不純物濃度よりも1.15倍以上である半導体装置とすることにより、達成される。
特許請求の範囲の請求項2記載の本発明によれば、前記第2導電型半導体エピタキシャル層の不純物濃度が前記第1導電型半導体層の不純物濃度よりも1.15倍以上、1.24倍以下である特許請求の範囲の請求項1に記載の半導体装置とすることが好ましい。
According to the present invention as set forth in
According to the second aspect of the present invention, the impurity concentration of the second conductive semiconductor epitaxial layer is 1.15 times or more and 1.24 times higher than the impurity concentration of the first conductive semiconductor layer. Preferably, the semiconductor device according to
特許請求の範囲の請求項3記載の本発明によれば、第1導電型半導体層がエピタキシャル成長により形成される特許請求の範囲の請求項1または2記載の半導体装置とすることが望ましい。
特許請求の範囲の請求項4記載の本発明によれば、前記細条並列pn層が中心部に活性領域、該中心部を取り囲む外周部に耐圧構造部を備える特許請求の範囲の請求項1乃至3のいずれか一項に記載の半導体装置とすることが好適である。
特許請求の範囲の請求項5記載の本発明によれば、前記細条並列pn層の表面にゲートとソースを有するMOSゲート構造を備え、前記第1導電型の低抵抗基板層をドレインとする特許請求の範囲の請求項4記載の半導体装置とすることがいっそう好ましい。
特許請求の範囲の請求項6記載の本発明によれば、第1導電型の低抵抗基板層上に第1導電型半導体エピタキシャル層を堆積形成し、該層の表面から前記低抵抗基板層に達する深さに平面が細条形状の並列トレンチを複数形成し、該並列トレンチを埋める第2導電型半導体エピタキシャル層を堆積させ、前記並列トレンチ間の第1導電型半導体エピタキシャル層と前記第2導電型半導体エピタキシャル層との集合体によりなる細条並列pn層を構成してなる半導体装置の製造方法において、前記第2導電型半導体エピタキシャル層の不純物濃度が前記第1導電型半導体エピタキシャル層の不純物濃度よりも1.15倍以上にした半導体装置の製造方法とすることにより、前記発明の目的は達成される。
According to the third aspect of the present invention, it is desirable that the first conductivity type semiconductor layer be formed by epitaxial growth to be the semiconductor device according to the first or second aspect.
According to the present invention as set forth in claim 4, the strip parallel pn layer includes an active region in a central portion and a pressure-resistant structure portion in an outer peripheral portion surrounding the central portion. It is preferable to use the semiconductor device according to any one of
According to the present invention as set forth in claim 5, a MOS gate structure having a gate and a source is provided on the surface of the strip parallel pn layer, and the low-resistance substrate layer of the first conductivity type is a drain. The semiconductor device according to claim 4 is more preferable.
According to the sixth aspect of the present invention, the first conductive type semiconductor epitaxial layer is deposited on the first conductive type low resistance substrate layer, and the surface of the layer is applied to the low resistance substrate layer. A plurality of parallel trenches having a strip-like shape are formed to reach the depth, a second conductivity type semiconductor epitaxial layer filling the parallel trenches is deposited, and the first conductivity type semiconductor epitaxial layer and the second conductivity between the parallel trenches are deposited. In the method of manufacturing a semiconductor device comprising a strip parallel pn layer composed of an aggregate with a type semiconductor epitaxial layer, the impurity concentration of the second conductive type semiconductor epitaxial layer is the impurity concentration of the first conductive type semiconductor epitaxial layer The object of the present invention is achieved by using a method for manufacturing a semiconductor device that is 1.15 times or more than that.
本発明によれば、ドリフト層にトレンチ埋め込み法により形成された細条並列pn層を活性領域と共に耐圧構造部にも備える半導体装置において、逆バイアスによる電界を緩和する耐圧構造部とすることにより、耐圧構造部よりも活性領域で先にアバランシェ降伏が発生し、アバランシェ耐量が高く、高信頼性の耐圧特性を有する半導体装置を提供することができる According to the present invention, in a semiconductor device including a strip parallel pn layer formed in a drift layer by a trench embedding method in an active region as well as a withstand voltage structure portion, by forming a withstand voltage structure portion that relaxes an electric field due to a reverse bias, An avalanche breakdown occurs in the active region earlier than the breakdown voltage structure, and a semiconductor device having a high avalanche resistance and having a high breakdown voltage characteristic can be provided.
以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。以下の説明および添付図面において、nまたはpを冠記した層や領域は、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、nやpに付す+は、それぞれ同基板内の同導電型の層より相対的に高不純物濃度であることを表す。++はさらに高濃度であることを表す。
なお、すべての添付図面において同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、以下の説明では、細条並列pn層のストライプに垂直な方向に伸びる辺に沿う部分を、単に「ストライプに垂直な部分」と表現し、細条並列pn層のストライプに平行な方向に伸びる辺に沿う部分を、単に「ストライプに平行な部分」と表現する。
(実施例1)
本発明の半導体装置にかかる最良の実施の形態として縦形MOSFETを挙げて実施例1として説明する。図1(a)は、活性領域及び耐圧構造部(非活性領域)を示す基板の部分平面図、図1(b)は図1(a)中のA−A線に沿って切断した半導体基板の断面図である。なお、図1(a)では活性領域及び耐圧構造部全体の四分の一を斜線部分で表し、また、見やすくするため、図1(a)では表面構造を除いた細条並列pn層のみを示している。ちなみに、図1(b)では、その除いた表面構造を含めた断面図としている。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description and the accompanying drawings, the layers and regions with n or p are the meaning that electrons or holes are majority carriers, respectively. Further, + attached to n and p represents that the impurity concentration is relatively higher than that of the same conductivity type layer in the same substrate. ++ represents a higher concentration.
Note that the same reference numerals are given to the same components in all the attached drawings, and redundant description is omitted. Further, in the following description, a portion along a side extending in a direction perpendicular to the stripe of the strip parallel pn layer is simply expressed as a “portion perpendicular to the stripe”, and in a direction parallel to the stripe of the strip parallel pn layer. A portion along the extending side is simply expressed as “a portion parallel to the stripe”.
Example 1
As a best mode for carrying out the semiconductor device according to the present invention, a vertical MOSFET will be described as a first embodiment. FIG. 1A is a partial plan view of a substrate showing an active region and a breakdown voltage structure (inactive region), and FIG. 1B is a semiconductor substrate cut along line AA in FIG. FIG. In FIG. 1A, a quarter of the entire active region and breakdown voltage structure is represented by a hatched portion, and for the sake of clarity, only the strip parallel pn layer excluding the surface structure is shown in FIG. Show. Incidentally, FIG. 1B is a cross-sectional view including the removed surface structure.
本実施例1のnチャネル縦形MOSFETは、基板裏側のドレイン電極18が導電接触した低抵抗のn++ドレイン層11と、そのn++ドレイン層11上全面に積層され、ドリフト層となるn半導体エピタキシャル層とその表面からのエッチングにより形成される並列トレンチに埋め込まれた並列p半導体エピタキシャル層20b、22bと、このp半導体エピタキシャル層20bと前記トレンチ間に残された並列n半導体エピタキシャル層20a、22aとの集合体から形成される細条並列pn層20、22を備え、この細条並列pn層20、22のうち、中心部の活性領域の細条並列pn層部分22の表面層には、選択的に形成されるpベース領域(pウェル)13と、そのpベース領域13内の表面側に選択的に形成された高不純物濃度のn+ソース領域14と、該n+ソース領域14と前記細条n半導体エピタキシャル層22a表面とに挟まれたpベース領域13の表面上にゲート絶縁膜15を介して設けられたドープドポリシリコン等のゲート電極層16と、表面側に設けられる電極間を絶縁するための層間絶縁膜19に開けたコンタクト孔を介してpベース領域13及びn+ソース領域14に跨って導電接触するソース電極17とからなる2重拡散型MOSゲート構造が形成され、前記中心部の活性領域22を取り囲む外周に位置する耐圧構造部の細条並列pn層部分20の表面上には、表面保護及び安定化のために、熱酸化膜(絶縁膜)23が成膜されている。なお、前記ゲート電極層16には図示しない部分で金属膜のゲート配線が導電接触している。また、ソース電極17は層間絶縁膜19を挟んでゲート電極層16を覆い、酸化膜23上に延長されており、耐圧構造部におけるフィールドプレートとしても機能している。
The n-channel vertical MOSFET according to the first embodiment has a low resistance n ++ drain layer 11 in conductive contact with a
ドリフト層を構成する細条並列pn層20、22は、明確にするために再度説明すると、活性領域では、半導体基板の厚み方向に薄板状縦形の細条nドリフト電流路領域22aと基板の厚み方向に薄板状縦形のドリフトp型領域22bとを交互に繰り返して細条並列pn層の集合体が形成されるようにした構造である。本実施例1では、細条nドリフト電流路領域22aは、その上端が基板表面に達し、その下端がn++ドレイン層11に接している。また、ドリフトp型領域22bは、その上端がpベース領域13のウェル底面に接し、その下端がn++ドレイン層11に接している。また、本実施例1では、ドリフトp型領域22bの不純物濃度が細条nドリフト電流路領域22aの不純物濃度より高くされていることが特徴のひとつである。なお、細条nドリフト電流路領域22a及びドリフトp型領域22bとの間に1つのpn接合を有する部分(矢印P1)を更に薄い細条並列pn層でそれぞれ分割形成しても構わない。
The strip parallel pn layers 20 and 22 constituting the drift layer will be described again for the sake of clarity. In the active region, the strip-shaped vertical strip n drift
一方非活性領域である耐圧構造部(素子外周部)でも、前記と同様の形状を有する細条並列pn層が形成されている。さらに、活性領域と同様に耐圧構造部でも、ドリフトp型領域20bの不純物濃度が細条nドリフト電流路領域20aの不純物濃度より高くされている。また、耐圧構造部の細条並列pn層20のpn繰り返しピッチ(矢印P2)は前記ピッチ(矢印P1)と同じであるが、耐圧構造部の不純物量を活性領域の不純物量よりも少なく、高抵抗とすることも耐圧構造部における電界集中の緩和の観点から好ましい。なお、耐圧構造部の細条並列pn層部分20の薄板面は活性領域の細条並列pn層部分22の薄板面と略平行となっているが、直交又は斜交していても構わない。
耐圧構造部の細条並列pn層部分20の外側は、基板の厚み方向に配置される薄板状縦形のn型低抵抗チャネルストッパ領域24が取り囲んでいるので、図1(a)に示すように、最外側のp型領域20bの薄板面に接する2辺と、細条並列pn層20外側端面20Bに直交する2辺とを有する。またn型低抵抗チャネルストッパ領域24は、上端がチャネルストッパ電極25に接し、その下端がドレイン層11に接し、同電位に接続されている。
On the other hand, a strip parallel pn layer having the same shape as described above is also formed in the breakdown voltage structure portion (element outer peripheral portion) which is an inactive region. Further, in the breakdown voltage structure as in the active region, the impurity concentration of the drift p-
Since the outer side of the strip parallel pn
次に本実施例1の動作について説明する。ゲート電極層16に所定の正の電位を印加すると、ゲート電極層16直下のpベース領域13の表面層に誘起されるn反転層を通ってソース領域14から電子が細条nドリフト電流路領域22aに注入され、n++ドレイン層11に達するとドレイン電極18とソース電極17との間が導通してオン状態となる。
ゲート電極層16への正の電位を取り去ると、pベース領域13の表面層に誘起される前記n反転層が消滅し、ドレイン電極18とソース電極17との間の電流が遮断されるので、MOSFETはオフ状態となる。更に、このオフ状態の際、逆バイアス電圧(ドレインに正、ソースに負の電圧)が印加されると、pベース領域13と細条nドリフト電流路領域22aとの間のpn接合Jaからそれぞれpベース領域13と細条nドリフト電流路領域22aに空乏層が広がって空乏化すると共に、細条ドリフトp領域22bはpベース領域13を介してソース電極17に電気的に接続し、細条nドリフト電流路領域22aはn++ドレイン層11を介してドレイン電極18に電気的に接続しているため、細条ドリフトp領域22bと細条nドリフト電流路領域22aとの間のpn接合Jbからの空乏層が細条ドリフトp領域22bと細条nドリフト電流路領域22aの双方に拡張するので、ドリフト層の空乏化が早まる。特に本実施例1では、前述のように、ドリフトp型領域22b、22bの不純物濃度が細条nドリフト電流路領域20a、22aの不純物濃度より所定の範囲で高くされているので、耐圧構造部での電界集中が活性領域よりも緩和される結果、活性領域でアバランシェ降伏が発生するようになり、耐圧の安定化、アバランシェ耐量の向上効果が得られるようになる。従って、活性化領域におけるドリフト層の細条並列pn層22の高耐圧の信頼性が十分確保されるので、ドリフト層の不純物濃度を高く設定でき、大電流化も確保できる。
Next, the operation of the first embodiment will be described. When a predetermined positive potential is applied to the
When the positive potential to the
本実施例1では活性領域と同様に耐圧構造部にも細条並列pn層部分20が形成されている。この耐圧構造部のp型領域20bのうち、活性領域の細条ドリフトp領域22bから延長した領域20bはpベース領域13を介してソース電極17に電気的に接続し、細条ドリフトp領域22bとは接続しないp型領域20bは浮遊状態であって言わば深部ガードリングとして機能し、また耐圧構造部の各n型領域20aはn++ドレイン層11を介してドレイン電極18に電気的に接続しているため、耐圧構造部20のpn接合Jbから拡張した空乏層によって、基板厚み全長に亘り概ね空乏化される。このため、表面ガードリング構造やフィールドプレート構造のように耐圧構造部20の表面側を空乏化させるだけではなく、基板深部までも空乏化させることができるので、耐圧構造部20の電界強度を大幅緩和でき、高耐圧を確保できる。それ故、超接合半導体素子の高耐圧化を実現できる。
In the first embodiment, the strip parallel pn
特に、本実施例1では、耐圧構造部と活性領域共の細条並列pn層のうち、トレンチに埋め込まれたp型半導体エピタキシャル層の不純物濃度が、トレンチ形成前にドリフト層として形成されたn型半導体エピタキシャル層の不純物濃度よりも1.15倍以上としたことに特徴がある。このようにすることにより、耐圧構造部での逆バイアス印加による電界集中を緩和することができ、非活性領域よりも活性領域で先にアバランシェ降伏を発生させることにより、高信頼性の耐圧特性を有する半導体装置を可能にする。
この点に関して行った実験について、下記図2、3、4を用いて説明する。図2は前記細条並列pn層について、p半導体エピタキシャル層に対するn半導体エピタキシャル層の不純物濃度比と耐圧との関係を示す図である。図3は、図2の拡大図であり、図4は耐圧構造部の表面にフィールド酸化膜23を介して負電荷(マイナスチャージ)の影響を受ける場合の、p半導体エピタキシャル層に対するn半導体エピタキシャル層の不純物濃度比と耐圧との関係を示す図である。この場合、前記図2、3、4の縦軸の耐圧は、ドリフト層における活性領域(■で示す)と非活性領域(耐圧構造部)(●で示す)とで、それぞれアバランシェ降伏の発生する電圧(すなわち、半導体材料固有のバンドギャップ幅で決まるアバランシェ降伏を起こす臨界電界強度)を示し、耐圧の低い方の領域の耐圧が素子の耐圧を決定するので、この低い方の耐圧が高い方が良く、さらに、低い方のアバランシェ降伏の発生する領域が耐圧構造部よりも活性領域である方が電界の集中度が低くや熱の放散も良いので、アバランシェ耐量、耐圧の信頼性の点から好ましいことを前提としている。この観点から、図2を見ると、p層濃度(p半導体エピタキシャル層の不純物濃度)のn層濃度(n半導体エピタキシャル層の不純物濃度)に対する比が1.15未満では非活性領域(耐圧構造部)の耐圧で素子耐圧が決まるので、好ましくなく、前記不純物濃度比が1.15以上で、図3の拡大図を見ると、活性領域の耐圧が非活性領域(耐圧構造部)の耐圧よりも低くなって好ましいことが判る。図4は前記不純物濃度比の上限を示す図であり、前記不純物濃度比が1.25を超えると、非活性領域(耐圧構造部)の表面のフィールド酸化膜23を介して影響を及ぼす負電荷(マイナスチャージ)によって空乏層がチャネルストッパ領域に達し、その近傍で電界集中が生じて耐圧が再び非活性領域(耐圧構造部)側で決まるようになり、本発明の目的である耐圧安定性向上の観点から外れることを示している。
In particular, in Example 1, the impurity concentration of the p-type semiconductor epitaxial layer embedded in the trench among the strip parallel pn layers of the breakdown voltage structure portion and the active region is n which is formed as a drift layer before the trench formation. It is characterized by being 1.15 times or more than the impurity concentration of the type semiconductor epitaxial layer. In this way, electric field concentration due to reverse bias application in the breakdown voltage structure can be mitigated, and by generating avalanche breakdown earlier in the active region than in the inactive region, a highly reliable breakdown voltage characteristic can be obtained. The semiconductor device which has is enabled.
Experiments conducted in this regard will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the impurity concentration ratio of the n semiconductor epitaxial layer to the p semiconductor epitaxial layer and the breakdown voltage of the strip parallel pn layer. FIG. 3 is an enlarged view of FIG. 2, and FIG. 4 shows an n semiconductor epitaxial layer with respect to the p semiconductor epitaxial layer when the surface of the breakdown voltage structure is affected by a negative charge (minus charge) via the
なお、この際、同時に耐圧構造部の細条並列pn層の不純物量を活性領域の細条並列pn層の不純物量よりも不純物量(不純物濃度)が少なく、高抵抗とすることも好ましい。
また本実施例1では、耐圧構造部の細条並列pn層20の外周には薄板状縦形のn型低抵抗チャネルストッパ領域24が配置されていることから、耐圧構造部の細条並列pn層20の外側のpn繰り返し端面(横断面)20Bを覆っているので、pn接合縦断面がチップのダイシング面として露出せず、漏れ電流を抑制し、耐圧を確保する機能を有する。
次に、上記実施例1の製造方法を説明する。図5に示すように、n++ドレイン層11として、不純物濃度2×1018cm−3のn型低抵抗半導体基板の(100)面上にドリフト層として、厚さが約50μmで、不純物濃度は、6.0×1015cm−3程度のn型高抵抗のエピタキシャル成長層31を積層する。
At this time, it is also preferable that the amount of impurities (impurity concentration) in the strip parallel pn layer of the breakdown voltage structure portion is smaller than the amount of impurities in the strip parallel pn layer of the active region, and the resistance is high.
In the first embodiment, since the thin plate-like vertical n-type low resistance
Next, the manufacturing method of Example 1 will be described. As shown in FIG. 5, the n ++ drain layer 11 has a thickness of about 50 μm as a drift layer on the (100) plane of an n-type low-resistance semiconductor substrate having an impurity concentration of 2 × 10 18 cm −3. Is an n-type high resistance
ついで、n型半導体エピタキシャル成長層31の表面に、トレンチ形成用のエッチングマスクとして酸化膜(または窒化膜などの絶縁膜)32を厚さ2.4μmで形成する。
ついで、フォトリソグラフィーにより酸化膜32のパターニングを行い、ストライプ状(細条)の酸化膜マスクパターンを形成する。酸化膜32の開口幅をたとえば5μmとし、かつマスク部の酸化膜32の幅をたとえば5μmとする。つまり、5μmおきに5μm幅の平行なストライプ状の酸化膜マスクと開口部が並列に配置されるパターンとなる。
ついで、トレンチエッチングをよく知られたRIE法を用いて行い、図6に示すように、n型半導体エピタキシャル成長層31に、たとえば、約50μmの深さで、開口幅が5μmのトレンチ33を形成する。その際、形成されたトレンチ側面の面方位が、(010)面またはこれと等価な面となるように、トレンチ33を形成する。
Next, an oxide film (or an insulating film such as a nitride film) 32 is formed on the surface of the n-type semiconductor
Next, the
Next, trench etching is performed using a well-known RIE method, and as shown in FIG. 6, a
ついで、図7に示すように、このような面方位を有するトレンチ33の内部にボロンドープのp型半導体エピタキシャル成長層34を埋め込む。p型半導体エピタキシャル成長層34の不純物濃度は、たとえば7.0×1015cm−3程度である。さらに、トレンチ形成後の酸化膜32の表面よりも上になるまでp型エピタキシャル成長層34を成長させる。その後、図8に示すように、CMP(化学機械研磨)などの研磨工程により酸化膜32をストップ膜としてp型エピタキシャル成長層34を研摩する。
研磨を行う際には、まず、トレンチのマスクとした酸化膜32を研磨ストッパとして利用して研磨を行い、酸化膜32の表面よりも上まで成長したp型半導体エピタキシャル成長層34部分を除去する。
ついで、図9に示すように、酸化膜32をエッチングにより除去する。その後、図10に示すように、表面のミラー研磨を行って、酸化膜32の除去によりできた表面にできた凹凸をなくす。特に限定しないが、たとえば、研磨量は1.0μm程度である。これは、酸化膜32を研磨ストッパとして研磨を行った後に残った酸化膜32の厚さが0.5μm程度であるからである。したがって、最終的な細条並列pn層の深さ方向の長さは49μm程度となる。
Next, as shown in FIG. 7, a boron-doped p-type semiconductor
When polishing, first, polishing is performed using the
Next, as shown in FIG. 9, the
このようにして、図10に示すように、n型半導体エピタキシャル成長層31よりなるn半導体エピタクシャル層2と、p型半導体エピタキシャル成長層34よりなる細条並列pn層を有する超接合半導体用の半導体基板ができあがる。
この超接合半導体基板を用いて、MOSFETの素子表面構造や周辺耐圧構造およびドレイン電極などを形成する。なお、MOSFETの素子表面構造や周辺耐圧構造などを作製するプロセスについては、周知であるので、説明を省略する。
以上において、本発明は、上述した実施例に限らず、種々変更可能である。たとえば、厚さや幅などの寸法および濃度は一例であり、本発明はそれらの数値に限定されるものではない。また、細条並列pn層上に、MOSFET以外の素子、たとえばIGBTやバイポーラトランジスタ等を作製してもよい。また、上述した実施例では、第1導電型をn型とし、第2導電型をp型としたが、本発明は第1導電型をp型とし、第2導電型をn型としても同様に成り立つ。
Thus, as shown in FIG. 10, a semiconductor substrate for a superjunction semiconductor having an n semiconductor epitaxial layer 2 made of an n type semiconductor
Using this super-junction semiconductor substrate, an element surface structure of MOSFET, a peripheral breakdown voltage structure, a drain electrode, and the like are formed. The process for fabricating the MOSFET element surface structure, peripheral breakdown voltage structure, and the like is well known and will not be described.
As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made. For example, dimensions and concentrations such as thickness and width are examples, and the present invention is not limited to these numerical values. Further, an element other than a MOSFET, such as an IGBT or a bipolar transistor, may be formed on the strip parallel pn layer. In the above-described embodiments, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. However, the present invention is the same even if the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type. It holds.
以上のように、本発明は、大電力用半導体装置に有用であり、特に、細条並列pn層をドリフト層に有するMOSFETやIGBTやバイポーラトランジスタ等の高耐圧化と大電流容量化を両立させることのできる半導体装置に適している。 As described above, the present invention is useful for high-power semiconductor devices, and in particular, achieves both high breakdown voltage and high current capacity for MOSFETs, IGBTs, bipolar transistors, etc. having a strip parallel pn layer as a drift layer. It is suitable for a semiconductor device that can be used.
11 第1導電型の低抵抗基板層(n++ドレイン層)
13 pベース層
14 n+ソース層
15 ゲート絶縁膜
16 ゲート電極
17 ソース電極
18 ドレイン電極
19 層間絶縁膜
20 耐圧構造部の細条並列pn層
20a 第1導電型半導体層(n型半導体エピタキシャル成長層)
20b 第2導電型半導体層(p型半導体エピタキシャル成長層)
22 活性領域の細条並列pn層
22a 第1導電型半導体層(n型半導体エピタキシャル成長層)
22b 第2導電型半導体層(p型半導体エピタキシャル成長層)
23 フィールド酸化膜
24 チャネルストッパ領域
25 チャネルストッパ電極
31 ドリフト層(第1導電型半導体層)
32 マスク酸化膜
33 トレンチ
34 (p型半導体エピタキシャル成長層)
11 Low resistance substrate layer of first conductivity type (n ++ drain layer)
13 p base layer 14 n + source layer 15
20b Second conductivity type semiconductor layer (p-type semiconductor epitaxial growth layer)
22 Strip parallel pn layer of
22b Second conductivity type semiconductor layer (p-type semiconductor epitaxial growth layer)
23
32
Claims (6)
A first conductive type semiconductor epitaxial layer is deposited and formed on the first conductive type low resistance substrate layer, and a plurality of parallel trenches having a strip shape in a plane extending from the surface of the layer to the low resistance substrate layer are formed. And depositing a second conductive type semiconductor epitaxial layer filling the parallel trench, and forming a strip parallel pn layer comprising an aggregate of the first conductive type semiconductor epitaxial layer and the second conductive type semiconductor epitaxial layer between the parallel trenches. In the semiconductor device manufacturing method, the semiconductor device is characterized in that the impurity concentration of the second conductive semiconductor epitaxial layer is 1.15 times or more higher than the impurity concentration of the first conductive semiconductor epitaxial layer. Manufacturing method.
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