JP2008288287A - Trench gate semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はトレンチゲート型半導体装置に関し、トレンチ内に絶縁膜を介して埋め込まれた制御用のゲート電極を有するMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:電解効果トランジスタ)やIGBT(Insulated Gate Transistor)、絶縁ゲートサイリスタ等のトレンチゲート構造を有するMOS型トランジスタ等の技術に係るものである。 The present invention relates to a trench gate type semiconductor device, and relates to a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Transistor Transistor), an IGBT (Insulated Gate Transistor), an insulating gate transistor, and an insulating gate transistor having a control gate electrode embedded in an insulating film through an insulating film. The present invention relates to a technology such as a MOS transistor having a trench gate structure such as a gate thyristor.
従来、この種のトレンチゲート型半導体装置においては、そのゲート終端構造として、酸化膜成長時に発生する応力を緩和するためにプロセスの高温化や丸め酸化などを用いるもの、終端部構造に曲率を持たせるもの、隣接するトレンチラインの終端部同士を緩やかな曲率を持たせて結合することで応力を緩和しているものがあった。 Conventionally, in this type of trench gate type semiconductor device, the gate termination structure uses a high temperature process or rounding oxidation in order to relieve stress generated during oxide film growth, and the termination structure has a curvature. In some cases, the stress is relieved by joining the end portions of adjacent trench lines with a gentle curvature.
従来のトレンチゲート型半導体装置としては、例えば図7〜図9に示すものがある。このトレンチゲート型半導体装置は、半導体基板が基層をなすP++型基板20の表面に複数の半導体層をエピタキシャル成長により形成してなり、P++型基板20の表面にN+型半導体層21を形成し、N+型半導体層21の表面にN−型半導体層22を形成し、N−型半導体層22の表面にN型半導体層23を形成し、N型半導体層23の表面にP型半導体層24を形成している。
Examples of conventional trench gate type semiconductor devices include those shown in FIGS. In this trench gate type semiconductor device, a plurality of semiconductor layers are formed by epitaxial growth on the surface of a P ++ type substrate 20 whose semiconductor substrate forms a base layer, and an N +
さらにP型半導体層24貫通してN型半導体層23に達する複数のトレンチ25を形成しており、トレンチ25の内部に酸化膜(ゲート酸化膜)26、ポリシリコンからなるゲート電極27及び絶縁膜28が形成してある。隣接し合うトレンチ25の間には、P型半導体層24の表面にN+型半導体層29及びP+型半導体層30を形成しており、ソースとなるN+型半導体層29は酸化膜26および絶縁膜28に隣接し、N+型半導体層29の間にP+型半導体層30が位置している。このP+型半導体層30は接触抵抗を下げるためのものである。
Further, a plurality of
トレンチ25の終端部はゲート電極27の引き出し部をなし、各ゲート電極27の端部を相互に接続する埋め込みゲート電極(ポリシリコン)31がトレンチ25の終端部上から半導体素子の端部縁までを覆っている。
The terminal portion of the
半導体基板の一方の主面側にはソース電極32がN+型半導体層29及びP+型半導体層30の表面に形成してあり、他方の主面側にはドレイン電極(図示省略)がP++型基板20の裏面に形成してある。P+型半導体層30は一般にボディコンタクト電極と呼ばれ、ソース電極32と同電位になるように接続している。埋め込みゲート電極31は絶縁膜33によってソース電極32と絶縁してある。半導体基板の外側部には複数のガードリング層34を形成している。
A
このトレンチゲート型半導体装置では、ドレイン電極(図示省略)に正電位の電圧を印加し、ソース電極32を接地する。この条件下で、埋め込みゲート電極31を通して各ゲート電極27に閾値以上の正電位の電圧を印加すると、各トレンチ25のゲート電極27と酸化膜26を介して隣接するP型半導体層24にチャネルが形成され、ドレイン電極からソース電極32に向かって電流が流れて動作状態となる。
In this trench gate type semiconductor device, a positive potential voltage is applied to the drain electrode (not shown), and the
以下にトレンチゲート型半導体装置の製造方法を説明する。図10〜図12は、各製造工程における断面を示し、図10(a)のA−A’線断面に対応している。図13〜図14は、各製造工程における断面を示し、図13(a)のA−A’線断面に対応している。 A method for manufacturing the trench gate type semiconductor device will be described below. 10 to 12 show cross sections in each manufacturing process, and correspond to the cross section taken along the line A-A 'of FIG. 13 to 14 show cross sections in each manufacturing process, and correspond to the cross section taken along the line A-A 'of FIG.
図10(b)および図13(b)に示すように、基層をなすP++型基板20の表面上にP++型基板20と異なる導電型で高濃度のN+型半導体層21をエピタキシャル成長させ、N+型半導体層21の表面上に同導電型で低濃度のN−型半導体層22をエピタキシャル成長させる。
As shown in FIGS. 10B and 13B, a high-concentration N +
図10(c)および図13(c)に示すように、N−型半導体層22にドーパントを拡散させて、N−型半導体層22の上側域に異なる導電型のP型半導体層24を形成し、P型半導体層24の下側域にN型半導体層23を形成する。
As shown in FIG. 10 (c) and FIG. 13 (c), N - -
図10(d)および図13(d)に示すように、P型半導体層24を貫通し、N型半導体層23に達する複数のトレンチ25を形成する。
図11(a)および図14(a)に示すように、トレンチ25の内壁面およびP型半導体層24の表面にSiO2の酸化膜26を形成し、酸化膜26に囲まれたトレンチ25の内部および酸化膜26を介したP型半導体層24の上側域にポリシリコンを積層する。
As shown in FIGS. 10D and 13D, a plurality of
As shown in FIGS. 11A and 14A, an SiO 2 oxide film 26 is formed on the inner wall surface of the
図11(b)に示すように、ポリシリコン層および酸化膜26を選択的にエッチングしてトレンチ25に残るポリシリコン層でゲート電極27を形成し、トレンチ25の終端部上から半導体素子の端部縁までを覆って残るポリシリコン層で埋め込みゲート電極31を形成する。
As shown in FIG. 11B, the polysilicon layer and the
図11(c)に示すように、P型半導体層24にドーパントを拡散させて、トレンチ25に隣接してソース(エミッター)のN+型半導体層29を形成する。
図12(a)に示すように、マスク35を介してドーパントを拡散させて、N+型半導体層29を貫通してP型半導体層24に達するP+型半導体層30を形成する。
As shown in FIG. 11C, a dopant is diffused into the P-
As shown in FIG. 12A, a dopant is diffused through a
図12(b)および図14(b)に示すように、半導体基板の一方の主面を覆ってSiO2の層間絶縁膜を積層し、選択的なエッチングによりトレンチ25の内部のゲート電極27の上に絶縁膜28を形成し、埋め込みゲート電極31の上に絶縁膜33を形成する。
As shown in FIGS. 12B and 14B, a SiO 2 interlayer insulating film is laminated so as to cover one main surface of the semiconductor substrate, and the
図12(c)および図14(c)に示すように、半導体基板の一方の主面を覆ってアルミからなるソース電極32を形成し、ソース電極32をN+型半導体層29とP+型半導体層30に接合し、ソース電極32とゲート電極27を絶縁膜28で絶縁し、ソース電極32と埋め込みゲート電極31を絶縁膜33で絶縁する。
ところで、トレンチゲート構造を有するデバイスにおいては、トレンチ25の底部で起きる電界集中がデバイスの耐圧を決めており、ブレークダウンはトレンチ25の底部で発生する。
By the way, in a device having a trench gate structure, the electric field concentration occurring at the bottom of the
しかしながら、上述した構成においては、各ゲート電極27の端部を相互に接続する埋め込みゲート電極(ポリシリコン)31がトレンチ25の終端部上から半導体素子の端部縁までを帯状に覆っており、ソースとなるN+型半導体層29およびボディコンタクト電極のP+型半導体層30をトレンチ25の終端部にまで形成していない。これは製造工程において、埋め込みゲート電極31を形成した後にN+型半導体層29およびP+型半導体層30を形成するからである。
However, in the above-described configuration, the buried gate electrode (polysilicon) 31 that connects the ends of the
このように、トレンチ25の終端部では、ソース電極32と同電位のボディコンタクト電極であるP+型半導体層30が存在しないので、終端部における半導体基板の表面上の電位をソース電位に固定することができない。電位を固定していない場合には、トレンチ25の底部の電界強度はコレクタの電位によって決まり、その値は電位を固定している場合よりも高くなる。
Thus, since the P + -
この結果、トレンチ25の底部で起きる電界集中は、中間部よりも終端部において大きくなり、デバイス耐圧が低下する要因となっている。
本発明は上記の課題を解決するものであり、トレンチの底部における電界強度をトレンチの全長にわたって均一化してデバイス耐圧を向上させることができるトレンチゲート型半導体装置を提供することを目的とする。
As a result, the electric field concentration occurring at the bottom of the
An object of the present invention is to provide a trench gate type semiconductor device capable of improving the device breakdown voltage by making the electric field strength at the bottom of the trench uniform over the entire length of the trench.
上記課題を解決するために、本発明のトレンチゲート型半導体装置は、半導体基板が基層上に複数の半導体領域を層状に重ねて形成してなり、前記半導体基板の一方の主面側に位置する第1の半導体領域を貫通して下層の第2の半導体領域に達する複数のトレンチを有し、第1の半導体領域中に前記トレンチの両側に沿って第3の半導体領域を有するとともに、前記トレンチの相互間において第3の半導体領域間に第4の半導体領域を有し、第1の半導体領域と第4の半導体領域が同じ導電型をなし、第2の半導体領域と第3の半導体領域が同じ導電型をなし、前記トレンチに電気的に周囲から絶縁した第1の電極を有し、第3の半導体領域および第4の半導体領域に接合する第2の電極を有し、前記半導体基板を介して第2の電極に対向する第3の電極を有し、第4の半導体領域が実質的に前記トレンチの全長に沿って延在することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a trench gate type semiconductor device according to the present invention is formed by stacking a plurality of semiconductor regions on a base layer in a layered manner and located on one main surface side of the semiconductor substrate. A plurality of trenches that penetrate the first semiconductor region and reach the second semiconductor region in the lower layer; and a third semiconductor region along both sides of the trench in the first semiconductor region, and the trench A fourth semiconductor region between the third semiconductor regions, the first semiconductor region and the fourth semiconductor region have the same conductivity type, and the second semiconductor region and the third semiconductor region are A first electrode having the same conductivity type and electrically insulated from the surroundings in the trench; a second electrode joined to a third semiconductor region and a fourth semiconductor region; Through the second electrode And a third electrode, the fourth semiconductor region, characterized in that extending along the entire length of substantially the trench.
また、各トレンチの第1の電極に接合する埋め込み電極が前記トレンチの終端部を覆って前記半導体基板の端部縁にまで延在し、かつ第4の半導体領域の上側に存在せず、前記埋め込み電極は前記トレンチの相互間に少なくとも前記トレンチの終端部にまで後退した切欠き部を有し、かつ前記切欠き部において第4の半導体領域の終端部に沿うことを特徴とする。 Further, a buried electrode joined to the first electrode of each trench extends to the edge of the semiconductor substrate so as to cover the terminal end of the trench, and does not exist on the upper side of the fourth semiconductor region, The buried electrode has a notch that is recessed at least to the end of the trench between the trenches, and extends along the end of the fourth semiconductor region in the notch.
以上のように本発明によれば、第1の電極がゲート電極をなし、第2の電極および第3の電極のそれそれがソース電極もしくはドレイン電極をなす。ドレイン電極に正電位の電圧を印加し、ソース電極を接地する条件下で、埋め込み電極を通して各ゲート電極に閾値以上の正電位の電圧を印加すると、各トレンチのゲート電極に絶縁層を介して隣接する第1の半導体領域に、ソースの第3の半導体領域からドレインの第2の半導体領域にまでチャネルが形成され、ドレイン電極からソース電極に向かって電流が流れて動作状態となる。 As described above, according to the present invention, the first electrode forms a gate electrode, and the second electrode and the third electrode form a source electrode or a drain electrode. Under the condition that a positive potential voltage is applied to the drain electrode and the source electrode is grounded, a positive potential voltage higher than the threshold value is applied to each gate electrode through the buried electrode, and the gate electrode of each trench is adjacent to each other through an insulating layer. In the first semiconductor region, a channel is formed from the third semiconductor region of the source to the second semiconductor region of the drain, and a current flows from the drain electrode to the source electrode to be in an operating state.
この際に、第4の半導体領域がボディコンタクト電極をなしてソース電極と同電位をなし、この第4の半導体領域が実質的にトレンチの全長に沿って延在することで、トレンチの終端部においてもゲート電極に対向してボディコンタクト電極が存在し、トレンチの終端部における半導体基板の表面上の電位をソース電位に固定することができるので、トレンチの底部で起きる電界集中は、中間部および終端部において等しい電界強度となる。よって、トレンチの終端部での電界集中に起因するデバイス耐圧の低下を防止することができ、トレンチの底部における電界強度をトレンチの全長にわたって均一化してデバイス耐圧を向上させることができる。 At this time, the fourth semiconductor region forms the body contact electrode and has the same potential as the source electrode, and this fourth semiconductor region extends substantially along the entire length of the trench, thereby allowing the end portion of the trench to end. In FIG. 5B, the body contact electrode is present opposite to the gate electrode, and the potential on the surface of the semiconductor substrate at the end of the trench can be fixed to the source potential. The electric field strength is equal at the terminal portion. Therefore, it is possible to prevent the device breakdown voltage from being lowered due to the electric field concentration at the end of the trench, and to improve the device breakdown voltage by making the electric field strength at the bottom of the trench uniform over the entire length of the trench.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図1および図2(a)、(b)において、トレンチゲート型半導体装置は、半導体基板100が基層をなすP++型基板50の表面に複数の半導体層をエピタキシャル成長により形成してなり、P++型基板50の表面にN+型半導体層51を形成し、N+型半導体層51の表面にN−型半導体層52を形成し、N−型半導体層52の表面にN型半導体層53を形成し、N型半導体層53の表面にP型半導体層54を形成している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 and 2 (a), (b), the trench gate type semiconductor device, the
半導体基板100には複数のトレンチ55を形成しており、トレンチ55は半導体基板100の一方の主面側に位置する第1の半導体領域であるP型半導体層54を貫通して下層の第2の半導体領域であるN型半導体層53に達している。トレンチ55には酸化膜(ゲート酸化膜)56および絶縁膜58により電気的に周囲から絶縁した第1の電極をなすポリシリコンのゲート電極57が形成してある。
A plurality of
トレンチ55の相互間には、P型半導体層54の表層部にN+型半導体層59及びP+型半導体層60を形成しており、N+型半導体層59はトレンチ55の両側に沿って形成し、N+型半導体層59の間にP+型半導体層60が位置している。ソースとなるN+型半導体層59は酸化膜56および絶縁膜58に隣接し、P+型半導体層60はボディコンタクト電極をなして接触抵抗を下げる。P+型半導体層60は実質的にトレンチ55の全長に沿って延在しており、トレンチ55の全長と実質的に同等以上の長さを有している。
Between the
トレンチ55の終端部はゲート電極57の引き出し部をなし、各ゲート電極57の端部を相互に接続する埋め込みゲート電極(ポリシリコン)61がトレンチ55の終端部上から半導体素子の端部縁までを覆って延在している。
The end portion of the
埋め込みゲート電極(ポリシリコン)61は、P+型半導体層60の上側に存在せず、トレンチ55の相互間に少なくともトレンチ55の終端部にまで後退した切欠き部61aを有し、切欠き部61aがP+型半導体層60の終端部に沿った形状をなす。
The buried gate electrode (polysilicon) 61 does not exist on the upper side of the P + -
半導体基板100の一方の主面側にはN+型半導体層59及びP+型半導体層60に接合する第2の電極をなすソース電極62が形成してあり、他方の主面側には半導体基板100を介してソース電極62に対向する第3の電極をなすドレイン電極(図示省略)がP++型基板50の裏面に形成してある。P+型半導体層50はソース電極62と同電位になるように接続してあり、埋め込みゲート電極61は絶縁膜63によってソース電極62と絶縁しており、図1においてソース電極62および絶縁膜63は部分的に表現した記載となっている。また、半導体基板の外側部には複数のガードリング層64を形成している。
A
このトレンチゲート型半導体装置では、ドレイン電極(図示省略)に正電位の電圧を印加し、ソース電極62を接地する。この条件下で、埋め込みゲート電極61を通して各ゲート電極57に閾値以上の正電位の電圧を印加すると、各トレンチ55のゲート電極57に酸化膜56を介して隣接するP型半導体層54に、ソースのN+型半導体層59からドレインのN型半導体層53にまでチャネルが形成され、ドレイン電極からソース電極62に向かって電流が流れて動作状態となる。
In this trench gate type semiconductor device, a positive potential voltage is applied to the drain electrode (not shown), and the
この際に、P+型半導体層60がボディコンタクト電極をなしてソース電極62と同電位をなし、このP+型半導体層60が実質的にトレンチ55の全長に沿って延在することで、トレンチ55の終端部においてもゲート電極57に対向してボディコンタクト電極が存在し、トレンチ55の終端部における半導体基板100の表面上の電位をソース電位に固定することができるので、トレンチ55の底部で起きる電界集中は、中間部および終端部において等しい電界強度となる。よって、トレンチ55の終端部での電界集中に起因するデバイス耐圧の低下を防止することができ、トレンチ55の底部における電界強度をトレンチ55の全長にわたって均一化してデバイス耐圧を向上させることができる。
At this time, the P +
本実施の形態では、トレンチ55の終端部においてゲート電極57を円形状に形成しているが、図2(c)に示すように、トレンチ55の終端部においてゲート電極57を矩形に形成することも可能である。
In the present embodiment, the
また、本実施の形態では、埋め込みゲート電極(ポリシリコン)61の切欠き部61aがP+型半導体層60の終端部に沿った形状をなし、P+型半導体層60の縁部と埋め込みゲート電極(ポリシリコン)61の切欠き部61aの縁部との間にP型半導体層54が介在しているが、図3に示すように、埋め込みゲート電極(ポリシリコン)61の切欠き部61aの全域に、切欠き部61aの縁部に接してP+型半導体層60の終端部を形状することも可能である。
Further, in the present embodiment, embedding
以下にトレンチゲート型半導体装置の製造方法を説明する。図4〜図6は、各製造工程における断面を示し、図4(a)のA−A’線断面に対応している。
図4(b)に示すように、基層をなすP++型基板50の表面上にP++型基板50と異なる導電型で高濃度のN+型半導体層51をエピタキシャル成長させ、N+型半導体層51の表面上に同導電型で低濃度のN−型半導体層52をエピタキシャル成長させる。
A method for manufacturing the trench gate type semiconductor device will be described below. 4 to 6 show cross sections in each manufacturing process, and correspond to the cross section along the line AA ′ in FIG.
FIG 4 (b) as shown in, the high concentration of the N + -
図4(c)に示すように、N−型半導体層52にドーパントを拡散させて、N−型半導体層52の上側域に異なる導電型のP型半導体層54を形成し、P型半導体層54の下側域にN型半導体層53を形成する。
As shown in FIG. 4 (c), N - -
図4(d)に示すように、P型半導体層54を貫通し、N型半導体層53に達する複数のトレンチ55を形成する。
図5(a)に示すように、トレンチ55の内壁面およびP型半導体層54の表面にSiO2の酸化膜56を形成し、酸化膜56に囲まれたトレンチ55の内部および酸化膜56を介したP型半導体層54の上方にポリシリコンを積層する。
As shown in FIG. 4D, a plurality of
As shown in FIG. 5A, a SiO 2 oxide film 56 is formed on the inner wall surface of the
図5(b)に示すように、ポリシリコン層および酸化膜56を選択的にエッチングしてトレンチ55に残るポリシリコン層でゲート電極57を形成し、トレンチ55の終端部上から半導体素子の端部縁までを覆って残るポリシリコン層で埋め込みゲート電極61を形成する。この埋め込みゲート電極61は、後述するP+型半導体層60の形成予定部の上側に存在せず、トレンチ55の相互間に少なくともトレンチ55の終端部にまで後退した切欠き部61aを有し、切欠き部61aがP+型半導体層60の形成予定部の終端部に沿った形状をなす(図1参照)。
As shown in FIG. 5B, the polysilicon layer and the
次に、P型半導体層54にドーパントを拡散させて、半導体基板100の中央部側にトレンチ55に隣接してソース(エミッター)のN+型半導体層59を形成する(図1参照)。
Next, a dopant is diffused in the P-
図5(c)に示すように、マスク65を介してドーパントを拡散させて、P型半導体層54にP+型半導体層60を実質的にトレンチ55の全長にわたって形成する。半導体基板100の中央部側では、N+型半導体層59を貫通してP型半導体層54に達するP+型半導体層60を形成し、半導体基板100の外側部にガードリング64を形成する。
As shown in FIG. 5C, a dopant is diffused through a
この際に、本実施の形態では、図2(c)に示すように、埋め込みゲート電極(ポリシリコン)61の切欠き部61aの縁部とP+型半導体層60の縁部との間にP型半導体層54が介在しているが、図3に示すように、埋め込みゲート電極(ポリシリコン)61の切欠き部61aの全域に、切欠き部61aの縁部に接してP+型半導体層60の終端部を形状することも可能である。
At this time, in this embodiment, as shown in FIG. 2C, the gap between the notched
図6(a)に示すように、半導体基板の一方の主面を覆ってSiO2の層間絶縁膜を積層し、選択的なエッチングによりトレンチ55の内部のゲート電極57の上に絶縁膜58を形成し(図1参照)、埋め込みゲート電極61の上に絶縁膜63を形成する。
As shown in FIG. 6A, an SiO 2 interlayer insulating film is laminated so as to cover one main surface of the semiconductor substrate, and an insulating
図6(b)に示すように、半導体基板の一方の主面を覆ってアルミからなるソース電極62を形成し、ソース電極62をN+型半導体層59とP+型半導体層60に接合し、ソース電極62とゲート電極57を絶縁膜58で絶縁し、ソース電極62と埋め込みゲート電極61を絶縁膜63で絶縁する(図1参照)。
As shown in FIG. 6B, a
本発明はトレンチの底部における電界強度をトレンチの全長にわたって均一化してデバイス耐圧を向上させることができるので、トレンチ内に絶縁膜を介して埋め込まれた制御用のゲート電極を有するMOSFET、IGBT、絶縁ゲートサイリスタ等のトレンチゲート構造を有するMOS型トランジスタ等に有用である。 Since the present invention can improve the device breakdown voltage by making the electric field strength at the bottom of the trench uniform over the entire length of the trench, MOSFET, IGBT, insulation having a control gate electrode embedded in the trench through an insulating film This is useful for a MOS transistor having a trench gate structure such as a gate thyristor.
20、50 P++型基板
21、51 N+型半導体層
22、52 N−型半導体層
23、53 N型半導体層
24、54 P型半導体層
25、55 トレンチ
26、56 酸化膜(ゲート酸化膜)
27、57 ゲート電極
28、58 絶縁膜
29、59 N+型半導体層
30、60 P+型半導体層
31、61 埋め込みゲート電極
32、62 ソース電極
33、63 絶縁膜
34、64 ガードリング層
35、65 マスク
61a 切欠き部
100 半導体基板
20, 50 P ++ type substrate 21, 51 N +
27, 57
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JP (1) | JP2008288287A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8853792B2 (en) | 2009-09-28 | 2014-10-07 | Freescale Semiconductor, Inc. | Transistors and semiconductor devices with oxygen-diffusion barrier layers |
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2007
- 2007-05-16 JP JP2007129934A patent/JP2008288287A/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8853792B2 (en) | 2009-09-28 | 2014-10-07 | Freescale Semiconductor, Inc. | Transistors and semiconductor devices with oxygen-diffusion barrier layers |
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