JP4470454B2 - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、１対の電極を備え、その電極同士を結ぶ方向に伸びる半導体領域によって耐圧特性を向上させている半導体装置に関する。ここでいう電極は、その間を電流が流れる電極をいい、例えばカソードとアノード電極、ソースとドレイン電極、エミッタとコレクタ電極等を言い、半導体装置の抵抗ないしオン・オフを制御する制御信号を印加するためのゲート電極を含まない。
本発明は特に、電極間方向に伸びる第１導電型の第１部分領域と、電極間方向に伸びる第２導電型の第２部分領域が、電極間方向に直交する面内で交互に繰返されている、所謂スーパージャンクション構造を備えた半導体装置に関し、なかでも、スーパージャンクション構造を構成する第１部分領域と第２部分領域の繰返し単位が微細化された半導体装置に関する。
ｎ型不純物を含有するｎ型コラム（第１部分領域）とｐ型不純物を含有するｐ型コラム（第２部分領域）の組合せを単位構造とし、その単位構造が繰返されている繰返し構造（所謂スーパージャンクション構造）を備えた半導体装置が知られている。その一例を図３６に例示する。
図３６の半導体装置１９は、ｎ型コラム５２とｐ型コラム領域５４の互層を単位構造とし、その単位構造が繰返されている繰返し領域５６を備えている。具体的に説明すると、ドレイン電極Ｄ上にｎ＋型のドレイン領域５１が形成されており、そのドレイン領域５１上に繰返し領域５６が形成されており、その繰返し領域５６上にｐ型のボディ領域６２が形成されており、そのボディ領域６２内にｎ＋型のソース領域６４が選択的に形成されており、ソース領域６４はソース電極Ｓと接触している。図３６の半導体装置１９は、トレンチゲート電極６０を備えており、トレンチゲート電極６０は繰返し領域５６のｎ型コラム５２とソース領域６４との間に介在するボディ領域６２に対して絶縁膜６１を介して対向している。
繰返し領域５６のｎ型コラム５２とｐ型コラム５４は、その間を電流が流れるソース電極Ｓとドレイン電極Ｄを結ぶ方向Ａに沿って長く伸び、電極間方向Ａに直交する方向Ｂに沿って繰返されている。ｎ型コラム５２とｐ型コラム５４の繰返し方向は、トレンチゲート電極６０が伸びる方向Ｃに繰返されていてもよく、電極間方向Ａに直交する面内で繰返されていればよい。
図３６の例では、ｎ型コラム５２とｐ型コラム５４がＣ方向に長く伸びているが、ｎ型コラム５２とｐ型コラム５４が柱状であって、Ｂ方向にもＣ方向にも繰返されていてもよいし、柱状のｎ型コラム５２がｐ型領域内に分散配置された構造であってもよいし、柱状のｐ型コラム５４がｎ型領域内に分散配置された構造であってもよい。要は、第１導電型の第１部分領域と、第２導電型の第２部分領域を組合せた単位構造が、少なくとも一方方向に繰返されていればよい。
第１導電型の第１部分領域と第２導電型の第２部分領域を組合せた単位構造が繰返されていると、半導体装置の１対の電極間に逆バイアス電圧が印加されたときに、第１部分領域と第２部分領域のｐｎ接合界面から、第１部分領域と第２部分領域のそれぞれに空乏層が広がる。第１部分領域と第２部分領域の不純物濃度と繰返し方向の幅との積を適値に設定しておくと、繰返し領域の広い範囲を完全空乏化することができる。電極間方向に伸びる第１導電型の第１部分領域と、電極間方向に伸びる第２導電型の第２部分領域が、電極間方向に直交する面内で交互に繰返されているスーパージャンクション構造を備えた半導体装置は、高い耐圧特性を実現する。
スーパージャンクション構造を備えていると、半導体装置の１対の電極間に逆バイアス電圧が印加されたときに、第１部分領域と第２部分領域のｐｎ接合界面から空乏層が広がるために、高い耐圧特性を得ることができる。この現象を利用すると、高い耐圧特性を得るために繰返し領域の不純物濃度を下げる必要がなく、不純物濃度が高い状態で高い耐圧特性を得ることができる。繰返し領域の不純物濃度が高めると、半導体装置のオン抵抗やオン電圧は低下する。
スーパージャンクション構造は、高い不純物濃度の半導体領域を利用して低いオン抵抗や低いオン電圧を実現し、しかも、高い耐圧特性を実現する。
スーパージャンクション構造を微細化すると、半導体領域の不純物濃度を高めても空乏化することから、高い耐圧特性を確保しながらオン抵抗やオン電圧をさらに低下することができるものと期待することができる。
第１導電型の第１部分領域と第２導電型の第２部分領域が繰返されているスーパージャンクション構造の場合、いずれか一方が電流経路となる。図３６の場合、ｎ型コラム５２が電流経路となる。必要な耐圧特性を確保しながら、電流経路となる側の部分領域の不純物濃度を上げることができれば、オン抵抗やオン電圧をさらに低下することができるものと期待することができる。
特許文献１に、スーパージャンクション構造を備えた半導体装置が記載されている。
ＵＳＰ５２１６２７５
特許文献１には、スーパージャンクション構造を構成するｎ型コラムとｐ型コラムの界面に絶縁膜を形成すると、ｎ型コラムとｐ型コラム間で不純物が相互拡散するのを防止することができ、各コラムの不純物濃度を意図した値に調整しやすいことが記載されている。
しかしながら、ｎ型コラムとｐ型コラムの不純物濃度を意図した値に調整することさえできれば、ｎ型コラムとｐ型コラムの界面に絶縁膜が形成されている半導体装置と、界面に絶縁膜が形成されていない半導体装置の特性には大差がなく、絶縁膜の存在は半導体装置の耐圧特性やオン抵抗やオン電圧に大きな影響を及ぼさないことが報告されている。
確かに特許文献１に記載されているサイズのスーパージャンクション構造の場合、ｎ型コラムとｐ型コラムの界面に形成されている絶縁膜の存在は半導体装置の耐圧特性やオン抵抗やオン電圧に影響を及ぼさない。
しかしながら、本発明者の研究によって、スーパージャンクション構造の単位となる互層の微細化を進めて電流経路となるコラムの不純物濃度を上げていくと、ｎ型コラムとｐ型コラムの界面に絶縁膜を形成することが有用な結果をもたらすことが判明してきた。即ち、ｎ型コラムとｐ型コラムの界面に絶縁膜を形成しないでも、スーパージャンクション構造の単位となる互層の微細化を進めて電流経路となるコラムの不純物濃度を上げていくことによって、オン抵抗やオン電圧が低い状態を維持しながら耐圧特性を向上させていくことができる。この現象を利用するために微細化を進め、ｎ型コラムの中心からｐ型コラムの中心までの距離が1.4μm以下になるまで微細化をすすめると、ｎ型コラムとｐ型コラムの界面に絶縁膜を形成しない場合に比してｎ型コラムとｐ型コラムの界面に絶縁膜を形成すると耐圧特性が向上することが見出された。ｎ型コラムの中心からｐ型コラムの中心までの距離が数μmの場合には、ｎ型コラムとｐ型コラムの界面に絶縁膜を形成しても形成しなくても耐圧特性に影響しないのに、ｎ型コラムの中心からｐ型コラムの中心までの距離が1.4μm以下の場合には、ｎ型コラムとｐ型コラムの界面に絶縁膜を形成すると耐圧特性がさらに向上するのである。
本発明に係る半導体装置は、上記の知見を活用し、スーパージャンクション構造の単位となる互層の微細化を進めることによって耐圧特性が向上する以上に耐圧特性を高めることに成功したものである。
本発明の半導体装置は、ＭＯＳに具現化することができる、ＭＯＳは、ドレイン電極と、そのドレイン電極上に設けられている第１導電型のドレイン領域と、そのドレイン領域に接するドリフト領域と、そのドリフト領域に接するとともにドレイン領域からはドリフト領域によって隔てられている第２導電型のボディ領域と、そのボディ領域に接するとともにドリフト領域からはボディ領域によって隔てられている第１導電型のソース領域と、そのソース領域に接するソース電極と、ソース領域とドリフト領域を隔てているボディ領域に絶縁層を介して対向しているトレンチゲート電極を備えている。本発明のＭＯＳでは、ドリフト領域が、ドレイン電極とソース電極を結ぶ方向（電極間方向）に伸びる第１導電型の第１部分領域と、電極間方向に伸びる第２導電型の第２部分領域が、電極間方向に直交する面内で交互に繰返されており、スーパージャンクション構造を実現している。トレンチゲート電極は、ボディ領域を貫通して第１部分領域に達している。本発明のＭＯＳは、第１部分領域の中心から第２部分領域の中心までの距離が1.4μm以下であり、第１部分領域と第２部分領域の界面の少なくとも一部に絶縁膜が形成されている。また、その絶縁膜は、第１部分領域と第２部分領域の界面の少なくとも一部からボディ領域内にまで伸びており、ボディ領域を介してトレンチゲート電極に対向しているとともに、その端部がボディ領域内に位置していることを特徴とする。
スーパージャンクション構造の単位となる互層の微細化を進めると空乏化しやすくなり、電流経路となるセルの不純物濃度を高めることができる。高い耐圧と低いオン抵抗ないしオン電圧を得ることができる。単位となる互層の微細化を進め、ｎ型領域の中心からｐ型領域の中心までの距離（ハーフピッチという）が1.4μm以下になるまで微細化すると、極めて興味深い現象が生じ始める。ハーフピッチが1.4μm以上であるとｎ型領域とｐ型領域の界面に絶縁膜を設けても耐圧を高めるのに寄与しないのに、ハーフピッチが1.4μm以下であるとｎ型領域とｐ型領域の界面に絶縁膜を設けると耐圧が高められる。ハーフピッチが1.4μm以上であるとｎ型領域とｐ型領域の界面に絶縁層を設けても設けなくても耐圧が変化しないのに対し、ハーフピッチが1.4μm以下であるとｎ型領域とｐ型領域の界面に絶縁膜を設けた場合の耐圧は設けない場合の耐圧よりも高められる。ハーフピッチが1.4μm以下となるまで微細化すると、微細化によって耐圧が高くなりオン抵抗ないしオン電圧が低くなることに加え、界面に絶縁膜を設けることによってさらに耐圧が高められる現象を利用することが可能となる。
本発明の半導体装置は、第１部分領域の中心から第２部分領域の中心までの距離が1.4μm以下であり、第１部分領域と第２部分領域の間の少なくとも一部に絶縁膜が形成されていることから、微細化することによって耐圧が高くなりオン抵抗ないしオン電圧が低くなることに加え、界面に設けられた絶縁膜によってさらに耐圧が高められる。
本発明は、電流が流れる１対の電極を結ぶ方向に伸びる半導体領域を備えた半導体装置に有用であり、ソースとドレイン電極を有する縦型のＭＯＳ、エミッタとドレイン電極を有する縦型のバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等に適用することができる。
第１導電型の第１部分領域と第２導電型の第２部分領域は電極間方向に伸びておればよく、柱状に伸びていてよいし、薄板状であってもよい。薄板状の場合、電極間方向に直交する面内で交互に繰返されて配置される。柱状の場合、導電型を異にする２本の柱の組合せが電極間方向に直交する面内で繰返されて配置されていてもよいし、直交面内で広く広がる半導体領域中に異なる導電型の柱群が分散配置されていてもよい。
ＭＯＳは、ドレイン電極とソース電極間に高い電圧が印加されても耐えられるように、ドレイン電極とソース電極を結ぶ方向に伸びるドリフト領域を備えている。そのドリフト領域のスーパージャンクション構造の微細化を進め、ハーフピッチが1.4μm以下にすると、微細化することによって耐圧を高めると同時にオン抵抗を低くすることができることに加え、ｐｎ接合界面に設けられた絶縁膜によってさらに耐圧を高めることができる。
本発明を適用したＭＯＳは、従来のＭＯＳでは得られない高耐圧と低抵抗を実現する。
第１部分領域と第２部分領域の間に絶縁膜を配置すると、第１部分領域の不純物濃度を1×1016cm-3以上とし、第２部分領域の不純物濃度を1×1016cm-3以上としても、ドレイン電極とソース電極間に逆バイアス電圧がかかったときにドリフト領域が完全空乏化することができる。本発明によって始めてスーパージャンクション構造のセル群の不純物濃度を上記まで高めることに成功したものであり、完全空乏化による高い耐圧と、高不純物濃度による低いオン抵抗の両者を得ることに成功している。
スーパージャンクション構造を構成する第１部分領域と第２部分領域のそれぞれが薄板状である場合、第１部分領域と第２部分領域は、その繰返し方向に直交する面内で伸びている。この構造の場合、第１部分領域のコラム幅が1.0μm以下であり、第２部分領域のコラム幅が1.0μm以下であり、第１部分領域と第２部分領域の間に形成されている絶縁膜の膜厚が0.2μm以下であることが好ましい。
第１部分領域と第２部分領域のコラム幅が双方とも1.0μm以下であるという条件のなかでハーフピッチ幅を1.4μm以下にすると、本発明の作用がよく得られる。そのときの絶縁膜の膜厚は0.2μm以下であるのが好ましい。
第１部分領域と第２部分領域のそれぞれが薄板状で、繰返し方向に直交する面内で伸びているスーパージャンクション構造の場合、ｐｎ界面に絶縁膜を配置すると、電流経路となる部分領域のコラム幅と不純物濃度の積を、電流経路とならない部分領域のコラム幅と不純物濃度の積よりも大きくすることができる。
スーパージャンクション構造のｐｎ界面に絶縁膜が形成されていると、チャージバランスが崩れていても完全空乏化する現象が得られる。チャージバランスを維持するために不純物濃度を精密に制御する必要がなくなり、製造上の自由度が増す。また、電流経路となる部分領域のコラム幅と不純物濃度の積を、電流経路とならない部分領域のコラム幅と不純物濃度の積よりも大きくすることができ、一層の低抵抗化が可能となる。
さらに、電流経路となる部分領域に過大のキャリアが存在していると、ターンオフ時のキャリアの再結合現象を促進することができ、キャリアの引き抜きに起因するリカバリー電流の急激な変化を抑制することができ、リカバリーサージ電圧を低減し得る。
第１部分領域と第２部分領域のそれぞれが薄板状で、繰返し方向に直交する面内で伸びているスーパージャンクション構造の場合、ボディ領域を貫通してドリフト領域に達するトレンチゲートを、第１部分領域が伸びている面と平行に伸ばすようにしてもよい。
この場合、スーパージャンクション構造の第１部分領域と第２部分領域と、トレンチゲート電極が平行に形成され、トレンチゲート電極が全長に亘って、電流経路となる第１部分領域に達している構造を得ることができる。トレンチゲート電極にゲートオン電圧が印加された場合に形成されるチャネル領域と電流経路となる第１部分領域が広い範囲で接する構造が得られ、オン抵抗が一層に低減される。
第１部分領域と第２部分領域のそれぞれが薄板状であれば、第１部分領域と第２部分領域は一方方向に繰返される。第１部分領域と第２部分領域のそれぞれの断面が長方形の柱状であれば、各柱を千鳥格子状に配置することで各部分領域が２方向に繰返されるスーパージャンクション構造が得られる。第１部分領域と第２部分領域のそれぞれの断面が正六角形の柱状であれば、交互に隙間なく配置することで各部分領域が３方向に繰返されるスーパージャンクション構造が得られる。
第１部分領域と第２部分領域の間の全界面に絶縁膜が形成されていることが好ましい。
第１部分領域と第２部分領域の間の全界面に絶縁膜が形成されていると、効果的に耐圧を向上させることができる。オン抵抗の低減にも効果的である。
ドレイン電極とドレイン領域の間に第２導電型の半導体領域が付加されていてもよい。
この構造の半導体装置は、いわゆるＩＧＢＴとして機能する。ゲート電極にオン電圧が印加されると、ドレイン領域の電流経路となる導電型の部分領域に正負のキャリアが流入し、伝導度変調現象が生じる。ＩＧＢＴの場合、ＭＯＳの場合のドレイン領域はドレイン領域と称され、ドレイン電極はコレクタ電極と称され、ソース領域はエミッタ領域と称され、ソース電極はエミッタ電極と称されることが多い。
ＩＧＢＴの場合でも、スーパージャンクション構造を実現する第１部分領域と第２部分領域の界面の少なくとも一部に絶縁膜を形成することで耐圧を向上することができる。
本発明のスーパージャンクション構造は、ドリフト領域以外にも活用することができ、例えば、周辺領域に適用することができる。
この場合の半導体装置は、半導体スイッチング素子群が形成されている中心領域と、その周囲であって半導体スイッチング素子群が形成されていない周辺領域を備える。
本発明を周辺領域に適用した半導体装置の周辺領域では、半導体スイッチング素子群の電極間方向に伸びる第１導電型の第１部分領域と、電極間方向に伸びる第２導電型の第２部分領域が、電極間方向に直交する面内で交互に繰返され、中心領域から周辺領域に向かって連続して形成されており、周辺領域の第１部分領域の中心から周辺領域の第２部分領域の中心までの距離が1.4μm以下であり、周辺領域の第１部分領域と周辺領域の第２部分領域の界面の少なくとも一部からボディ領域内にまで伸びている絶縁膜が形成されていることを特徴とする。
半導体装置の周辺領域でも、空乏層を広げ、電界を保持して耐圧を向上させることが求められる。本発明のスーパージャンクション構造は、周辺領域の耐圧を向上させ、ひいては半導体装置の耐圧を向上させる。
本発明を周辺領域に適用するときにも、第１部分領域の不純物濃度が1×1016cm-3以上であり、第２部分領域の不純物濃度が1×1016cm-3以上であるのが好ましい。また、第１部分領域の幅が1.0μm以下であり、第２部分領域の幅が1.0μm以下であり、第１部分領域と第２部分領域との間に形成されている絶縁膜の膜厚が、0.2μm以下であることが好ましい。
本発明のスーパージャンクション構造を備える半導体装置は、下記の製造方法によって製造することができる。
即ち、裏面にドレイン電極が設けられており、表面にソース電極が設けられており、そのドレイン電極とソース電極間を電流が流れる半導体装置を製造するにあたって、ドレイン電極とソース電極を結ぶ方向に伸びる第１導電型の第１部分領域を、電極間方向に直交する面内で第１導電型のドレイン領域上に溝を隔てて複数形成する第１部分領域形成段階と、第１部分領域形成段階に次いで、溝に露出する第１部分領域群の側壁に絶縁膜を形成する絶縁膜形成段階と、絶縁膜形成段階に次いで、溝内及び第１部分領域群の上面に第２導電型の半導体領域を成長させる第２半導体領域形成段階と、第２半導体領域形成段階に次いで、第１部分領域群の上部を第２導電型に反転させて反転領域を形成する反転領域形成段階を備えている。さらに、反転領域形成段階の後に、第２半導体領域の表面から第２半導体領域及び反転領域を貫通して反転領域形成段階で導電型が反転しなかった第１部分領域に達するとともに、第２半導体領域及び反転領域に絶縁層を介して対向する複数のトレンチゲート電極を形成するトレンチゲート形成段階と、第２半導体領域内のトレンチゲート電極に隣接する位置に第３部分領域を形成する第３部分領域形成段階とを備えている。
上記の製造方法によって製造される半導体装置は、第１部分領域群の上面に形成された第２半導体領域と、反転領域と、絶縁膜を介して反転領域に対向する第２半導体領域の一部がボディ領域を構成し、絶縁膜がボディ領域内に伸びて形成されている。また、その半導体装置は、第１部分領域の中心から溝内の第２半導体領域の中心までの距離が1.4μm以下である。
上記の製造方法によれば、スーパージャンクション構造を構成する第１導電型の第１部分領域と第２導電型の第２部分領域の界面に絶縁膜が形成されており、半導体装置の表裏に１対の電極が形成されている縦型半導体装置を製造することができる。
第１部分領域群の上部を第２導電型に反転する反転領域形成段階は、第１導電型の第１部分領域群と第２導電型の半導体領域の相互拡散であってもよい。あるいは、第１部分領域群の上部に、第２導電型の不純物をイオン注入することであってもよい。
第１部分領域の上部が第２導電型に変化し、絶縁膜の端部がボディ領域内に伸びている半導体装置を製造することができる。
本発明のスーパージャンクション構造を備える半導体装置は、スーパージャンクション構造を微細化することによって得られる高耐圧化と低抵抗化に加え、スーパージャンクション構造の単位となる互層の間に絶縁膜を配置することによって一層の高耐圧化と低抵抗化が得られる。十分に高い耐圧と十分に低い抵抗をともに実現することができる。
図１に示す斜視図は、発明を実施するための一つの最良の半導体装置１の斜視図である。これは以下に説明する複数実施例の共通構造である。図１に示す半導体装置１は縦型電界効果トランジスタであり、ｎ型（第１導電型）の第１部分領域２２とｐ型（第２導電型）の第２部分領域２４が交互に繰返されている繰返し領域２６を、キャリアがドリフトする領域に備えている。
第１電極（ドレイン電極Ｄ）上にｎ型（第１導電型）のドレイン領域２１が形成されており、ドレイン領域２１上に繰返し領域（ドリフト領域）２６が形成されており、繰返し領域（ドリフト領域）２６上にｐ型（第２導電型）のボディ領域３２が形成されている。
ボディ領域３２内にｎ型（第１導電型）の第３部分領域（ソース領域）３４とｐ＋型のボディコンタクト領域３８が選択的に形成されており、第３部分領域（ソース領域）３４とボディコンタクト領域３８はソース電極Ｓと接触している。
図１の半導体装置１はトレンチタイプのゲート電極Ｇが備えられており、トレンチゲート電極３０が、第３部分領域（ソース電極）３４に隣接し、ボディ領域３２を貫通して繰返し領域（ドリフト領域）２６の第１部分領域２２まで到達している。トレンチゲート電極３０は、繰返し領域（ドリフト領域）２６の第１部分領域２２と第３部分領域（ソース領域）３４との間に介在するボディ領域３２に対してゲート絶縁膜３１を介して対向している。
トレンチゲート電極３０は、繰返し領域（ドリフト領域）２６の第１部分領域２２と第２部分領域２４の組合せの繰返し方向に直交方向に伸びており、薄板状の第１部分領域２２と平行方向に伸びている。
繰返し領域（ドリフト領域）２６の第１部分領域２２と第２部分領域２４は、その間を電流が流れるドレイン電極Ｄとソース電極Ｓとを結ぶ方向Ａに沿って長く伸び、電極間方向Ａに直交する方向Ｂに沿って繰返されている。
第１部分領域２２と第２部分領域２４のそれぞれの幅は、どちらか一方の幅のみを大きく、また狭く形成するのは好ましくない。半導体装置１では、ｎ型の第１部分領域がキャリアの流れる領域であるが、この第１部分領域２２がｐ型の第２部分領域２４に比して狭く形成されていると、繰返し領域２６のうち第１部分領域２２の横断面積の占める割合が減少し、オン抵抗が増大してしまう。また、どちらか一方の幅のみを狭く形成するのは製造の点からの困難であり、それぞれの部分領域（２２、２４）の幅はバランス良く形成されているのが好ましい。それぞれの部分領域（２２、２４）の幅が1.0μm以下であり、ハーフピッチ幅が1.4μm以下であるのが好ましい。
第１部分領域２２と第２部分領域２４のそれぞれの不純物濃度と幅の積（チャージバランス）が1×1012cm-2〜5×1012cm-2の範囲内にあるのが好ましい。なお、本発明の１つの特徴は、チャージバランスが崩れた場合においても、耐圧の向上やリカバリー電流の低減に効果を奏する。
また、第１部分領域２２の不純物濃度は1×1016cm-3以上が好ましく、第２部分領域２４の不純物濃度は1×1016cm-3以上であるのが好ましい。なお、この種の繰返し領域２６では、それぞれの部分領域（２２、２４）の不純物濃度が高くなると、それぞれの部分領域（２２、２４）の幅は狭くなる。他方、それぞれの部分領域（２２、２４）の不純物濃度が小さくなると、それぞれの部分領域（２２、２４）の幅は広くなる。そのため、それぞれの部分領域（２２、２４）の不純物濃度は、それぞれの部分領域（２２、２４）の幅との関係で実質的に決まってくる。したがって、それぞれの部分領域（２２、２４）の不純物濃度が極端に大きいということはなく、実質的な範囲内で大きいことが好ましい。
繰返し領域（ドリフト領域）２６の第１部分領域２２と第２部分領域２４の界面には絶縁膜２８が形成されており、この絶縁膜２８は第１部分領域２２と第２部分領域２４の界面の全領域に亘って形成されており、さらにボディ領域３２内にまで伸びて形成されている。ボディ領域３２内に伸びて形成されている絶縁膜２８は、第３部分領域（ソース領域）３４に接触しない程度にボディ領域３２内に伸びて形成されているのが好ましい。この場合、オン抵抗の低減に効果がある。
なお、図１に示す半導体装置１の導電型が、逆の構成であっても本形態を具現化することが可能である。
図面を参照して以下に各実施例を詳細に説明する。なお、略同一の構造には同一番号を付して説明を省略する場合がある。
（第１実施例）実施例１では酸化膜の有無による半導体装置の耐圧への影響を調べた。
図２〜４のそれぞれに、実施例１の半導体装置（２〜４）の単位セルが示されている。なお、図２〜４に示すｐ型コラム１２４は、そのコラム幅のちょうど半分づつが、左右対称に示されている。図２の半導体装置２は、ｎ型コラム１２２とｐ型コラム１２４の間に酸化膜が形成されてない半導体装置であり、図３の半導体装置３と図４の半導体装置４には酸化膜１２８が形成されており、またその形状が異なるものが示されている。
実施例１のそれぞれの半導体装置（２〜４）は、酸化膜１２８を除けば、その基本的な構成は同一であるので、図２を参照してその構成を説明する。
図２の半導体装置２は、ｎ型の不純物を含有するｎ型コラム１２２とｐ型の不純物を含有するｐ型コラム１２４が交互に繰返されている繰返し領域１２６を、キャリアがドリフトする領域に備えた半導体装置２である。
図示１２１はドレイン領域１２１であり、その裏面側には図示しないドレイン電極が形成されており、主面側には繰返し領域１２６が形成されており、その繰返し領域１２６上にｐ型のボディ領域１３２が形成されている。ボディ領域１３２内にｎ型のソース領域１３４が選択的に形成されており、ソース領域１３４は図示しないソース電極と接触している。なお、ボディ領域１３２とｐ型コラム１２４の不純物濃度は等しい。
繰返し領域１２６はｎ型コラム１２２とｐ型コラム１２４で構成され、ｎ型コラム１２２とｐ型コラム１２４が、図示しないドレイン電極とソース電極を結ぶ方向に対して直交する面内において交互に繰返されて形成されている。
ソース領域１３４に隣接し、ボディ領域１３２を貫通して繰返し領域１２６のｎ型コラム１２４まで到達するトレンチゲート電極１３０が形成されており、トレンチゲート電極１３０は繰返し領域１２６のｎ型コラム１２２とソース領域１３４との間に介在するボディ領域１３２に対してゲート絶縁膜１３１を介して対向している。
トレンチゲート電極１３０にゲートオン電圧が印加されると、トレンチゲート電極１３０に対向するボディ領域１３２にｎ型の反転層が形成され、ドレイン領域１２１からソース領域１３４が導通することになる。
図２に示す半導体装置２のｎ型コラム１２２のコラム幅は0.6μmであり、ｐ型コラム１２４のコラム幅は0.8μmである。したがってｎ型コラム１２２の中心からｐ型コラムの中心までの距離（ハーフピッチという）の幅（Ｘ）は（0.6＋0.8）／２＝0.7μmで形成されている。繰返し領域１２６の膜厚方向の膜厚（Ｙ）は12μmである。
ｎ型コラム１２２の不純物濃度は5×1016cm-3であり、ｐ型コラム１２４の不純物濃度は3.70×1016cm-3で形成されている。したがって、ｎ型コラム１２２のチャージバランスは5×1016cm-3×0.6／2μm＝1.5×1012cm-2であり、ｐ型コラム１２４のチャージバランスは3.70×1016cm-3×0.8／2μm＝1.48×1012cm-2である。半導体装置２では若干ながらチャージバランスが崩れて形成されている。なお、一般的にこの種の半導体装置ではチャージバランスを確保して形成される。チャージバランスが確保されていると、半導体装置のオフ状態において、それぞれのコラムのキャリアが結合し消滅する。したがって、それぞれのコラムが実質完全空乏化するので、耐圧を高くすることができる。
図３と図４に示す半導体装置（３、４）も、図２に示す半導体装置２と基本的な構成は同様であり、図３と図４の半導体装置（３、４）には酸化膜１２８が形成されている点が図２の半導体装置２とは異なる。
図３の半導体装置３の酸化膜１２８は、繰返し領域１２６のｎ型コラム１２２とｐ型コラム１２４の界面のほぼ全領域に亘って広く形成されている。
図４の半導体装置４の酸化膜１２８は、繰返し領域１２６のｎ型コラム１２２とｐ型コラム１２４の界面のほぼ全領域に亘って広く形成されていると同時に、ボディ領域１３２内に伸びて形成されている。図３と図４のいずれの酸化膜１２８の膜厚は20nmである。
トレンチゲート電極１３０と図示しないソース電極を０Ｖとし、図示しないドレイン電極に正電圧を印加し（オフ状態）たときのそれぞれの半導体装置（２〜４）の耐圧を調べた。
図２の半導体装置２の耐圧は232Ｖであり、図３の半導体装置３の耐圧は263Ｖであり、図４の半導体装置４の耐圧は264Ｖであった。繰返し領域１２６のｎ型コラム１２２とｐ型コラム１２４の界面に酸化膜１２８が形成されると、耐圧が向上することが分かった。なお、半導体装置３と半導体装置４の耐圧はほとんど相違しなかった。したがって、酸化膜１２８をボディ領域１３２内に伸びて形成しても耐圧にはほとんど影響しないことが分かる。
他方、それぞれの半導体装置（２〜４）のオン抵抗を調べてみると、図２の半導体装置２のオン抵抗は0.0953Ωmm2であり、図３の半導体装置３のオン抵抗は0.0894Ωmm2であり、図４の半導体装置４のオン抵抗は0.0884Ωmm2であった。繰返し領域１２６のｎ型コラム１２２とｐ型コラム１２４の界面に酸化膜１２８を形成すると、オン抵抗が低減されることが分かった。さらに、図３の半導体装置３に比して図４の半導体装置４のオン抵抗はさらに低減された。したがって、酸化膜１２８をボディ領域１３２内に伸びて形成するとオン抵抗の低減には有利であることが分かった。
次に、図２に示す半導体装置２（酸化膜が形成されていない場合）と、図４に示す半導体装置４（酸化膜１２８がボディ領域１３２内に伸びて形成されている場合）において、それぞれのｐ型コラム１２４の不純物濃度を変化させた場合の耐圧に与える影響を調べた。同時に図４の半導体装置４においては、酸化膜１２８の膜厚を変化させた場合の耐圧への影響を調べた。
図５にその結果が示されており、横軸は酸化膜１２８の膜厚であり、縦軸は半導体装置の耐圧である。図中iはｐ型コラム１２４の不純物濃度が3.75×1016cm-3であり、チャージバランスが取れている場合の結果である。なお、ｎ型コラム１２２の不純物濃度は5×1016cm-3で一定である。図中のj、k、lは、それぞれｐ型コラム１２４の不純物濃度が3.70×1016cm-3、3.625×1016cm-3、3.50×1016cm-3の結果である。酸化膜厚がゼロの場合が図２の半導体装置２の構成に対応することになる。
なお、図中ｈ（破線で表示）はハーフピッチ幅が2.0μm（従来の半導体装置に相当する）で、チャージバランスが取れている状態の結果である。
まず、図中ｈのハーフピッチ幅が2.0μmの結果をみてみると、酸化膜が形成された場合であっても耐圧が向上しておらず、むしろ若干ながら耐圧が劣化していることが分かる。つまり、ハーフピッチ幅が2.0μmの大きさの半導体装置では、酸化膜を形成しても耐圧を向上させる効果がないことが分かる。
一方、図中i〜ｌの結果（ハーフピッチ幅が0.7μm）をみてみると、酸化膜が形成されることで、いずれも耐圧が向上していることが分かる。特にチャージバランスが崩れている場合（j、k、l）ほど、酸化膜による耐圧の向上効果がより顕著に現れていることがわかる。
また、酸化膜厚が20nmのときの、図中ｈとiの結果を比較してみると、図中iの場合の方が耐圧は高いことが分かる。つまり、ハーフピッチ幅が0.7μｍ以下まで微細化された半導体装置では、酸化膜を形成すると酸化膜を形成しない場合に比して耐圧が向上するのみならず、従来（ハーフピッチ幅が2.0μｍ）に比して耐圧を向上し得ることが分かる。また、この場合のコラム幅は従来よりも狭いので、不純物濃度が高く、したがってオン抵抗も低減することができる。
図６は、図５に示す結果を、横軸にｐ型コラムの不純物濃度とし、縦軸に半導体装置の耐圧とした結果である。図中mは酸化膜厚が60nmの結果であり、図中nは酸化膜厚が20nmの結果であり、図中oは酸化膜が形成されていない場合に対応している。なお、ｎ型コラム１２２の不純物濃度は5×1016cm-3で一定である。いずれの結果もハーフピッチ幅は0.7μmの場合（図２の半導体装置２又は図４の半導体装置４）である。なお、ｐ型コラムの不純物濃度が3.75×1016cm-3のときの結果が、チャージバランスが取れている場合に対応している。
図６から、チャージバランスが取れている場合、また崩れている場合のいずれの場合でも酸化膜を形成することで耐圧が向上する。さらにチャージバランスの崩れが大きいほど酸化膜の効果が顕著に現れてくることが分かる。また、酸化膜が形成されていない場合（図中ｏ）をみると、チャージバランスの崩れによって耐圧が直線的に劣化する。一方、酸化膜が形成されている場合（図中ｍ、ｎ）では、多少のチャージバランスの崩れでは耐圧が著しく劣化しない。したがって、製造の観点からは、チャージバランスを維持するために不純物濃度を精密に制御する必要がなくなり、製造上の自由度が増す。
また、酸化膜の膜厚の大きさは、チャージバランスの崩れる大きさによって、酸化膜厚を大きくした方が有利であったり、小さくしたほうが有利であったりする。したがって、酸化膜厚の大きさは、その構成に合わして適宜調整するのが好適である。なお、ｐｎ接合界面から空乏層を広げるには酸化膜厚0.2μm以下が好ましい。また半導体装置の微細化の点と絶縁破壊電界を高くする点で、より薄い方が好ましく、それぞれのコラム幅が０．１μm以下であって、上記の効果を奏する範囲で酸化膜を薄くするのが好ましい。
図７と図８にはハーフピッチ幅を変えた場合の半導体装置の耐圧に及ぼす影響を調べた結果が示されている。なお、酸化膜がない場合の基本的な構成は図２の半導体装置２であり、酸化膜を形成している場合の基本的な構成は図４の半導体装置４である。
図７中ｐとqは、ｎ型コラムとｐ型コラムの不純物濃度が同じで、チャージバランスしている場合である。図中ｐは酸化膜が形成されていない場合の結果であり、図中ｑは膜厚が20nmの酸化膜が形成されている場合の結果である。
図７中ｒとｓは、ｐ型コラムの不純物総量が1.4×1012cm-2で崩れており、図中ｒは酸化膜が形成されていない場合の結果であり、図中ｓは膜厚が20nmの酸化膜が形成されている場合の結果である。ｐ型コラムの不純物濃度は少なく、オフ状態ではｎ型コラムにキャリアが残存する状態である。
図７に示すように、チャージバランスが取れている場合（ｐ、ｑ）であっても、またチャージバランスが取れていない場合（ｒ、ｓ）であっても、ハーフピッチ幅が狭くなるほど酸化膜を形成することによって耐圧向上の効果が顕著に現れてくる。特にチャージバランスが崩れている場合（ｒ、ｓ）には、絶縁膜による耐圧向上効果とともに、その絶縁膜を形成したことによる寄生ＭＯＳの効果により耐圧向上はより顕著になる。
図７より、具体的には、ハーフピッチ幅が1.4μm以下になると耐圧向上の効果が顕著であることが分かる。
図８中ｔとuは、ｎ型コラムとｐ型コラムの不純物濃度が同じで、チャージバランスしている場合である。図中ｔは酸化膜が形成されていない場合の結果であり、図中uは膜厚が20nmの酸化膜が形成されている場合の結果である。
図８中ｖとｗは、ｎ型コラムの不純物総量が1.575×1012cm-２で崩れており、図中ｖは酸化膜が形成されていない場合の結果であり、図中ｗは膜厚が20nmの酸化膜が形成されている場合の結果である。ｎ型コラムの不純物濃度は高く、オフ状態ではｎ型コラムにキャリアが残存する状態である。
図８に示すように、チャージバランスが取れている場合（ｔ、u）であっても、またチャージバランスが取れていない場合（ｖ、ｗ）であっても、ハーフピッチ幅が狭くなるほど酸化膜を形成することによる耐圧向上の効果が顕著に現れてくることが分かる。特に、チャージバランスが崩れている場合には、絶縁膜による耐圧向上効果とともに、その絶縁膜を形成したことによる寄生ＭＯＳの効果により耐圧向上はより顕著になる。
図８より、具体的には、ハーフピッチ幅が1.4μm以下になるとその効果が顕著であることが分かる。
図９は、ｎ型コラムとｐ型コラムがチャージバランスしている場合において、チャージバランスの設定値を変えたときの半導体装置の耐圧を検討した結果である。図示７２と図示７４の半導体装置は、酸化膜が形成されている場合（図４の半導体装置４に相当する）であり、そのハーフピッチ幅は図示７２が0.7μmであり、図示７４が2.0μmである。一方、図示７６と図示７８の半導体装置は、酸化膜が形成されていない場合（図２の半導体装置２に相当する）であり、そのハーフピッチ幅は図示７６が0.7μmであり、図示７８が2.0μmである。なお、チャージバランスの設定値が2.0×1012cm-2が従来からの一般的な設定値である。
図９から、ハーフピッチ幅が狭くなると半導体装置の耐圧が向上する。また、同じハーフピッチ幅（図示７２と７６、あるいは図示７４と７８を比較）であっても、酸化膜を形成することによって半導体装置の耐圧が向上する。このことから、所望の耐圧を確保しつつ、チャージバランスの設定値を高くできることがわかる。とくに従来のチャージバランス設定値（2.0×1012cm-2）よりも高い場合において、酸化膜を形成することによる半導体装置の耐圧の向上効果が顕著である。なお、酸化膜を形成する場合、所望する半導体装置の耐圧が約100Ｖであれば、チャージバランス設定値は4.5×1012cm-2以下とすることができる。オン抵抗の低い半導体装置を実現できる。
（第２実施例）第２実施例では、繰返し領域のｎ型コラムとｐ型コラムとの間の界面に形成する絶縁膜の形成する位置によって、半導体装置の耐圧及びオン抵抗への影響を調べた結果である。
図１０〜図１５に示すように、繰返し領域３２６のｎ型コラム３２２とｐ型コラム３２４との間の界面に形成する位置等を変えて形成している。なお、図１０の半導体装置５は酸化膜が形成されていない場合である。実施例２のそれぞれの半導体装置（５〜１０）は、酸化膜３２８を除けば、その基本的な構成は同一であるので、図１０を参照してその構成を説明する。
図１０に示す半導体装置５は、実施例１の半導体装置（２〜４）とドレイン領域３２１と繰返し領域３２６は同一構成であり、トレンチゲート電極３３０とソース領域３３４が異なっている。トレンチゲート電極３３０がｎ型コラム３２２だけでなく、ｐ型コラム３２４にも到達して形成されている。したがって、トレンチゲート電極３３０にゲートオン電圧が印加されると、トレンチゲート電極３３０に対向するボディ領域３３２のうち、ソース領域３３４とｎ型コラム３２４に介在するボディ領域３２２側のみにｎ型の反転層が形成され、ドレイン領域１２１からソース領域１３４が導通することになる。ｐ型コラム３２４の上方のボディ領域３３２には反転層が形成されてない。
次に図１１〜図１５の酸化膜３２８の構成を順に説明すると、図１１の半導体装置６は酸化膜３２８がソース領域３３４側のｎ型コラム３２２とｐ型コラム３２４の界面に形成されている。図１２の半導体装置７は酸化膜３２８がソース領域３３４側とは逆のｎ型コラム３２２とｐ型コラム３２４の界面の上半分に形成されている。図１３に示す半導体装置８は、酸化膜３２８がソース領域３３４側とは逆のｎ型コラム３２２とｐ型コラム３２４の界面の下半分に形成されている。図１４の半導体装置９は、酸化膜３２８がソース領域３３４側とは逆のｎ型コラム３２２とｐ型コラム３２４の界面に形成されている。図１５に示す半導体装置１０は、酸化膜３２８がｎ型コラム３２２とｐ型コラム３２４の界面に広く形成されている。
なお、ｎ型コラム３２２の不純物濃度は5×1016cm-3であり、ｐ型コラム３２４の不純物濃度は3.70×1016cm-3で形成されている。
図示しないソース電極と、トレンチゲート電極３３０を０Ｖとし、図示しないドレイン電極に正電圧を印加した場合（オフ状態）、それぞれの半導体装置（５〜１０）の耐圧は、図１０の半導体装置５は230Ｖであり、図１１の半導体装置６は243Ｖであり、図１２の半導体装置７は250Ｖであり、図１３の半導体装置８は258Ｖであり、図１４の半導体装置９は265Ｖであり、図１５の半導体装置１０は265Ｖであった。
この結果から、半導体装置の耐圧向上に効果のある順に説明すると、絶縁膜が形成されない場合（半導体装置５）に比して、チャネルの形成される側のｎ型コラムとｐ型コラムの界面に酸化膜を形成するのが好ましく（半導体装置６）、それよりもチャネルの形成される側とは離れた側のｎ型コラムとｐ型コラムの界面の上半分に形成するのが好ましく（半導体装置７）、それよりもチャネルの形成される側とは離れた側のｎ型コラムとｐ型コラムの界面の下半分に形成するのが好ましく（半導体装置８）、それよりもチャネルの形成される側とは離れた側のｎ型コラムとｐ型コラムの界面に形成するのが好ましく（半導体装置９）、それよりもｎ型コラムとｐ型コラムの界面の全領域に形成するのが好ましい（半導体装置１０）。
次に、それぞれの半導体装置（５〜１０）のオン抵抗を計測した結果が図１６に示されており、図中の番号はそれぞれの半導体装置（５〜１０）に対応している。それぞれの半導体装置（５〜１０）のオン抵抗は、図１０の半導体装置５は0.1059Ωmm2であり、図１１の半導体装置６は0.1022Ωmm2であり、図１２の半導体装置７は0.1055Ωmm2であり、図１３の半導体装置８は0.1052Ωmm2であり、図１４の半導体装置９は0.1045Ωmm2であり、図１５の半導体装置１０は0.101Ωmm2であった。
この結果から、半導体装置のオン抵抗の低減に効果のある順に説明すると、絶縁膜が形成されない場合（半導体装置５）に比して、チャネルの形成される側とは離れた側のｎ型コラムとｐ型コラムの界面の上半分に形成するのが好ましく（半導体装置７）、それよりもチャネルの形成される側とは離れた側のｎ型コラムとｐ型コラムの界面の下半分に形成するのが好ましく（半導体装置８）、それよりもチャネルの形成される側とは離れた側のｎ型コラムとｐ型コラムの界面に形成するのが好ましく（半導体装置９）、それよりもチャネルの形成される側のｎ型コラムとｐ型コラムの界面に酸化膜を形成するのが好ましく（半導体装置６）、それよりもｎ型コラムとｐ型コラムの界面の全領域に形成するのが好ましい（半導体装置１０）。
（第３実施例）第３実施例では、高耐圧系の半導体装置において、酸化膜を形成することによる半導体装置の耐圧への効果を調べた。図１７は酸化膜が形成されていない半導体装置１１のハーフ単位セルが示されており、図１８には酸化膜が形成されている半導体装置１２のハーフ単位セルが示されている。実施例３のそれぞれの半導体装置（１１、１２）は、酸化膜４２８を除けば、その基本的な構成は同一であるので、図１７を参照してその構成を説明する。
図１７に示す半導体装置１１は、ｐ＋型のコレクタ領域４２１上にｎ型のバッファ領域４２７が形成されている。コレクタ領域４２１の裏面側には図示しないドレイン電極が形成されている。バッファ領域４２７上には繰返し領域４２６が形成されており、その繰返し領域４２６上にボディ領域４３７が形成されている。ボディ領域４３７内には選択的にエミッタ領域４３８が形成されており、そのエミッタ領域４３８は図示しないエミッタ電極に接触している。
繰返し領域４２６はｎ型の不純物を含有するｎ型コラム４２２と、ｐ型の不純物を含有するｐ型コラム４２４を備えている。ｎ型コラム４２２とｐ型コラム４２４とは、図示しないドレイン電極とエミッタ電極とを結ぶ方向に垂直直交する面内で交互に繰返して形成されている。
エミッタ領域４３８に隣接し、ボディ領域４３７を貫通して繰返し領域４２６のｎ型コラム４２２にまで到達するトレンチゲート電極４３５が形成されている。トレンチゲート電極４３５は、ｎ型コラム４２２とエミッタ領域４３８に介在するボディ領域４３７に対して、ゲート絶縁膜４３６を介して対向して形成されている。
ｎ型コラム４２２のコラム幅は0.6μmであり、ｐ型コラム４２５のコラム幅は0.8μmである。したがってハーフピッチ幅は0.7μmで形成されている。
ｎ型コラム４２３の不純物濃度は、3×1016cm-3であり、ｐ型コラム４２５の不純物濃度は2.25×1016cm-3である。この場合、チャージバランスが0.9×1012cm-2で設定されている。繰返し領域４２６の膜厚方向の距離は、110μmで形成されている。バッファ領域４２７の不純物濃度は3×1016cm-3である。
図１８に示す半導体装置１２には、図１７に示す半導体装置１１に加えて酸化膜４２８が繰返し領域４２６のｎ型コラム４２２とｐ型コラム４２４との間の界面の広い領域に亘って形成されており、さらにボディ領域４３７内にまで伸びて形成されている。
それぞれの半導体装置（１１、１２）の動作を説明すると、トレンチゲート電極４３５に正電圧を印加すると、トレンチゲート電極４３５に対向するボディ領域４３７にｎ型の反転層が形成され、エミッタ領域４３８から繰返し領域４２６へ向けて電子キャリアが供給される。他方、図示しないドレイン電極に正電圧が印加されている場合には、コレクタ領域４２１から繰返し領域４２６へ向けて正孔キャリアが供給される。この結果、それぞれの半導体装置（１１、１２）はオン状態となり動作する。
図示しないエミッタ電極とゲート電極を０Ｖとし、図示しないドレイン電極に正電圧を印加した場合（オフ状態）のドレイン電圧とドレイン電流の関係が図１９と図２０に示されており、図１９は図１７に示す半導体装置１１の結果であり、図２０は図１８に示す半導体装置１２の結果である。
図１９に示すように、酸化膜を形成していない半導体装置１１では、ドレイン電圧が357Ｖの箇所で半導体装置１１が絶縁破壊されていることが分かる。他方、酸化膜４２８を形成している半導体装置１２では、1000Ｖを超えても絶縁破壊がまだ生じていないことが分かる。特に半導体装置１２の等電位線分布は、繰返し領域４２６の全領域に亘って略等間隔に分布するようになり、電界の集中は緩和される。このように高耐圧系の半導体装置では、酸化膜４２８を形成することで、繰返し領域４２６の全領域に亘って電界を保持し、耐圧が向上する効果が極めて高いことが分かった。
また、トレンチゲート電極４３５がｎ型部分領域４２３に浸入しているこの種の半導体装置では、トレンチゲート電極４３５が浸入している領域近傍において、チャージバランスが崩れ易い。高耐圧系では、そのチャージバランスの崩れによって、電界強度が繰返し領域４２６の上部に偏って集中してしまう。そのチャージバランスの崩れに対して、酸化膜４２８を形成することで、その影響を緩和することができ、繰返し領域４２６の広い領域に亘って電界を保持できる。このように高耐圧系では耐圧を向上する効果が極めて大きく現れると推察される。
なお、それぞれの半導体装置（１１、１２）において、ｐ＋型のコレクタ領域４２１のない構成（いわゆる電界効果トランジスタに相当する）としても、同様の作用効果によって耐圧を向上する効果がある。
図２１には、高耐圧系のそれぞれの半導体装置（１１、１２）において、ｎ型コラムとｐ型コラムのチャージバランスの設定値を変化させた場合の半導体装置の耐圧への影響を調べた結果が示されている。
図２１には、横軸にチャージバランスの設定値とし、縦軸に半導体装置の耐圧としている。図中の各番号（１１、１２）は各半導体装置（１１、１２）に対応している。
なお、高耐圧系の半導体装置においては、チャージバランスの設定値は典型的には1×1012〜2×1012cm-2の範囲で設定される。
図２１に示すように、典型的なチャージバランスの設定値の範囲内において、酸化膜を形成することで半導体装置１２の耐圧は優位に向上している。高耐圧系の半導体装置では、酸化膜による耐圧向上の効果が極めて大きく、酸化膜の形成は有効な手段であることが分かる。
（第４実施例）第４実施例は、周辺領域Ｎにおいて繰返し領域５２６を構成し、その繰返し領域５２６に酸化膜５２８を形成した場合の耐圧への効果を調べた。周辺領域Ｎとは半導体装置において、半導体スイッチング素子が形成されている中心領域Ｍの周囲であって、半導体スイッチング素子が形成されていない終端領域のことをいう。通常は、中心領域Ｍの繰返し領域５２６が周辺領域Ｎに向かって連続して形成されている。
図２２と図２３の（ａ）には、周辺領域Ｎと、その周辺領域Ｎと接する中心領域Ｍの要部断面図が模式的に示されている。
図２２と図２３の（ｂ）には、それぞれの半導体装置にブレークダウン電圧を印加したときの等電位線分布のうち、周辺領域Ｎ側のみが図に重ねて描かれている。なお、図２２と図２３の（ｂ）は、図２２と図２３の（ａ）の周辺領域Ｎと対応しているが、図２２と図２３の（ａ）はデフォルメして描かれているため、ｎ型コラム５２２などの数は一致していない。
図２２は繰返し領域５２６のｎ型コラム５２２とｐ型コラム５２４との間に酸化膜５２８が形成されていない場合であり、図２３は酸化膜５２８が形成された場合である。
図２２（ａ）を参照して周辺領域Ｎの構成を説明する。図２２（ａ）の半導体装置１３は、半導体スイッチング素子が形成される中心領域Ｍと、その周囲であって半導体スイッチング素子が形成されていない周辺領域Ｎを備える半導体装置１３である。
まず中心領域Ｍと周辺領域Ｎの共通部分に関して説明すると、ｎ型のドレイン領域５２１上に繰返し領域５２６が形成されており、繰返し領域５２６上にボディ領域５３２が形成されている。中心領域Ｍ側から周辺領域Ｎ側をみたときに、繰返し領域５２６のさらに周辺には、ｎ型の終端部５２９が形成されている。
周辺領域Ｎ側を説明すると、ボディ領域５３２上には、オフ状態においてより効果的にボディ領域５３２に空乏層を広げるために、ｎ型のトップ領域５４３が形成されている。トップ領域５４３上は二酸化シリコンからなる選択酸化膜５４０で覆われている。
中心領域Ｍ側を説明すると、中心領域Ｍ側のボディ領域５３２内には、ｎ＋型のソース領域５３４とｐ＋型のボディコンタクト領域５３８が選択的に形成されており、そのソース領域５３４と繰返し領域５２６を隔てるボディ領域５３２に、ゲート絶縁膜５３１を介してトレンチゲート電極５３０が対向している。ソース領域５３４とボディコンタクト領域５３８はコンタクトホール５４２を介してソース電極５４１と接続している。トレンチゲート電極５３０とソース電極５４１は選択酸化膜５４０によって分離されている。ドレイン領域５２１の裏面側には図示しないドレイン電極が形成されている。繰返し領域５２６には、中心領域Ｍのドレイン電極とソース電極５４１を結ぶ方向に伸びるｎ型のｎ型コラム５２２と、その電極間方向に伸びるｐ型のｐ型コラム５２４が、その電極間方向に直交する面内で交互に繰り返して形成されている。
ｎ型コラム５２２のコラム幅は0.6μmであり、ｐ型コラム５２４のコラム幅は0.8μmである。したがってｎ型コラム５２２とｐ型コラム５２４との組み合わせのハーフピッチ幅が0.7μmである。ｎ型コラム５２２の不純物濃度は5×1016cm-3であり、ｐ型コラム５２４の不純物濃度は、3.70×1016cm-3である。また、周辺領域Ｎのボディ領域５３２とトップ領域５４３のそれぞれの不純物濃度や膜厚（紙面上下方向の厚み）は、例えばｎ型コラム５２２やｐ型コラム５２４と同じ設計としてもよい。好ましくは、ボディ領域５３２とトップ領域５４３の不純物濃度を下げながら不純物総量が2×1012cm-2以下となるように設計するのがよく、不純物分布としては均一または濃度勾配を有してもよい。
なお、図２３の半導体装置１４には第１部分領域５２２と第２部分領域５２４との間の界面の全領域に亘って酸化膜５２８が形成されている。
図２２と図２３の（ｂ）にはブレークダウン電圧における等電位線分布が重ねて描かれており、等電位分布は１０Ｖステップである。
図２２と図２３（ｂ）の等電位線分布を比較してみると、図２３（ｂ）の半導体装置１４は、図２２（ｂ）の半導体装置１３に比して等電位線分布が繰返し領域５２６において広い領域に亘って略等間隔に並んでおり、電界集中が緩和されていることが分かる。これにより広い範囲に亘って電界を保持することができる。この結果、図２２（ｂ）の半導体装置１３の耐圧は１８５Ｖであるのに比して、図２３（ｂ）の半導体装置１４の耐圧は２４５Ｖであり、大きく向上している。
（第５実施例）第５実施例では、繰返し領域を備えた半導体装置において、酸化膜が形成された場合の逆回復電流への効果を調べた。逆回復電流とは、半導体装置の内蔵ダイオードに印加する準バイアス電圧をターンオフしたときに、過渡的な瞬間に逆方向へ流れる電流のことをいう。この逆方向へ流れる電流の絶対値は、始めは増大し、その後はゼロに向かって収束して流れる。このとき逆方向へ流れる電流の最大値や、電流が逆方向へ流れ続けている時間を低減することは損失の低減にとって重要である。また、逆方向へ流れる電流がゼロへ収束していくときの電流の変化率が大きいとサージ電圧が発生する原因となる。したがってこの逆回復電流の変化率を低減することも重要である。
図２４に示す半導体装置１５は縦型電界効果トランジスタであり、そのハーフセル単位が示されている。図２４の半導体装置１５の特徴は、ｎ型コラム６２２の幅が0.3μmであり、ｐ型コラム６２４の幅が0.9μmである。不純物濃度は、ｎ型コラム６２２が1.44×1016cm-3であり、ｐ型コラム６２４が5×1016cm-3である。したがって、ｎ型コラム６２２のチャージバランスが高く崩れており、オフ状態ではｎ型コラム６２２にキャリアが残存する構成となっている。また、ｎ型コラム６２２とｐ型コラム６２４との界面の全領域に亘って酸化膜６２８が形成されており、その膜厚は20nmである。なお、酸化膜６２８はボディ領域６３２内の伸びて形成されている。
この半導体装置１５の内蔵ダイオードに流れる電流を示したのが図２５であり、この内蔵ダイオードをターンオフしたときの過渡的な瞬間に流れる逆回復電流が示されている。図２５中８２は酸化膜が形成されていない場合の電流であり、図２５中８４は酸化膜が形成されている場合（図２４の半導体装置１５）の電流である。
図中８２の過渡的な瞬間に流れる逆方向電流の最大値に比して、図中８４の逆方向電流の最大値が減少していることが分かる。また、その逆方向電流の流れる時間も減少していることが分かる。具体的には、酸化膜が形成されていない場合（図中８２）の過渡的な期間に流れる逆回復電流の最大値は-1.95Aであり、電流が流れる時間は30nsecであった。他方、酸化膜を形成した場合（図中８４）の過渡的な期間に流れる逆回復電流の最大値は-1.57Aであり、電流が流れる時間は２１nsecであった。したがって低損失化が可能となっている。
さらに、酸化膜が形成されない場合（図中８２）では、逆回復電流が瞬間的に急激に変化しているが（図中の破線に囲まれた箇所８３）、酸化膜が形成された場合（図中８４）では、このような急激な電流変化が観察されない。したがってサージ電圧を低減するにも効果的である。
（第６実施例）図２６と図２７では、繰返し領域を備えた半導体装置（１６、１７）の斜視図が示されている。このような半導体装置（１６、１７）においても、酸化膜を形成することで、耐圧を向上することができる。
図２６に示す半導体装置１６は、横方向にキャリアがドリフトする電界効果トランジスタが示されている。ドレイン電極Ｄとソース電極がＳ半導体装置の同一平面側に形成されており、したがって、キャリアは半導体装置１６の膜厚方向に対して横方向にドリフトする。この場合、繰返し領域７２６のｎ型部分領域７２２とｐ型部分領域７２４は、ドレイン電極Ｄとソース電極Ｓを結ぶ方向（半導体装置１６に対して横方句）に対して直交する面内において交互に繰返されて形成されている。ｎ型部分領域７２２とｐ型部分領域７２４のハーフピッチ幅は1.4μｍ以下であるのが好ましい。
図２７にダイオードの半導体装置１７が示されている。カソード電極Ｃと接触するｎ＋型の第１導電型領域９２１上に繰返し領域９２６が形成されており、その繰返し領域９２６上にｐ＋型の第２導電型領域９３２が形成されており、その第２導電型領域９３２はアノード電極Ａと接触している。
繰返し領域９２６にｎ型部分領域９２２とｐ型部分領域９２４とを単位互層とする組み合わせがカソード電極Ｃとアノード電極Ａとを結ぶ方向に対して直行する面内で交互に繰返されている。ｎ型部分領域９２２とｐ型部分領域９２４のハーフピッチ幅が1.4μｍ以下であるのが好ましい。ｎ型部分領域９２２とｐ型部分領域９２４の間の界面には酸化膜９２８が形成されている。
上記の半導体装置１７が逆バイアス状態のとき、酸化膜９２８がない構成の半導体装置に比して、繰返し領域９２６の広い範囲に亘って空乏層が広がり、電界を保持することができるため、高い耐圧を確保することができる。
（比較例）次に、ハーフピッチ幅が2.0μmの場合を比較例として、酸化膜を形成した場合の耐圧への影響を調べた。
図２８に示す半導体装置１８は縦型電界効果トランジスタであり、そのハーフセル単位が示されている。図２８の半導体装置１８の特徴は、ｎ型コラム２２２の幅が1.0μmであり、ｐ型コラム２２４の幅が3.0μmである。不純物濃度は、ｎ型コラム２２２が3.0×1016cm-3であり、ｐ型コラム２２４が1.0×1016cm-3である。したがって、ｎ型コラム２２２とｐ型コラム２２４のチャージバランスは確保されている。ｎ型コラム２２２とｐ型コラム２２４との界面のほぼ全領域に亘って酸化膜２２８が形成されており、その膜厚は20nmである。
図示しないソース電極とゲート電極２３０を０Ｖとし、図示しないドレイン電極に正電圧を印加したとき（オフ状態）、酸化膜が形成されていない場合の耐圧が263Ｖであるのに対し、酸化膜を形成した場合の耐圧は262Ｖであった。耐圧の差はほとんど計測されなかった。したがって、ハーフピッチ幅が2.0μmまで大きい場合には、酸化膜を形成することの効果はほとんどみられない。
また、ｐ型コラム２２４のチャージバランスが崩れた場合において、酸化膜２２８の有無による影響も調べた。
ｐ型コラム２２４の不純物濃度を9.34×1015cm-3で形成した場合、酸化膜２２８が形成されていないときの耐圧が249Ｖであるのに対し、酸化膜２２８を形成したときの耐圧は239Ｖであった。
ｐ型コラム２２４の不純物濃度を8.0×1015cm-3で形成した場合、酸化膜２２８が形成されていないときの耐圧が162Ｖであるのに対し、酸化膜２２８を形成したときの耐圧は159Ｖであった。
いずれの場合でも、ハーフピッチ幅が2.0μmまで大きい場合には、ｐ型コラム２２４のチャージバランスが崩れているときに酸化膜を形成しても、耐圧向上の効果はみられないことが分かった。
（第７実施例）第７実施例では繰返し領域を備え、その繰返し領域に酸化膜が形成された半導体装置の製造方法の主要な工程を、図２９〜図３５を用いて説明する。
図２９に示すように、ｎ＋型の単結晶シリコンからなるドレイン領域２１の上に離間して存在するｎ型コラム２２を準備する。具体的には、ｎ＋型のドレイン領域２２の上に、ｎ型のシリコン結晶をエピタキシャル成長させ、次にＲＩＥ等のドライエッチング（異方性エッチング）によって溝を形成することによって離間して存在するｎ型コラム２２を準備することができる。
次に、図３０に示すように、離間して存在するｎ型コラム２２とドレイン領域２１とを熱酸化して酸化膜２８を形成する。
次に図３１に示すように異方性エッチングを実施して、ドレイン領域２１の上面と、離間して存在するｎ型コラム２２の上面の酸化膜２８をエッチング除去する。
次に図３２に示すように、露出するドレイン領域２１の上面からｎ型コラム２２を囲繞するまでｐ型のシリコン結晶を埋め込みエピタキシャル成長させて、ｐ型コラム２４とｎ型コラム２６が交互に繰返された繰返し領域２６を形成する。なお、この繰返し領域２６の製造方法としてはエピタキシャル成長に限定されず、例えば、斜めイオン注入法、マルチエピタキシャル法、埋め込みエピタキシャル法によって形成することができる。
このとき、ｐ型コラム２４のｐ型の不純物とｎ型コラム２２のｎ型の不純物が、ｎ型コラム２２の上面の界面において相互拡散する。そのためｎ型コラム２２の上面は実質的にカウンタードーピングされ、ｐ型に反転される場合がある。なお、ｎ型コラム２２の上部（図３２に示す破線より上）を積極的にｐ型に反転させるため、その位置に対してｐ型の不純物をイオン注入してもよい。その結果、図３３に示すように、ｎ型コラム２２の上面はｐ型に反転される。これにより、繰返し領域２６のｎ型コラム２２とｐ型コラムの２４との間の界面に形成されている酸化膜２８が繰返し領域２６から上部へ伸びて形成された状態を形成することができる。
次に図３４に示すように、繰返し領域２６の繰返し方向（紙面左右）と直交方向（紙面垂直）に異方性エッチングによりトレンチを形成する。トレンチはｎ型コラム２２の形成位置に対応して形成される。
次に、トレンチの壁面を熱酸化してゲート絶縁膜３１を形成する。
次に、図３５に示すようにトレンチ内にポリシリコン等を充填しトレンチゲート電極３０を形成する。この後に、トレンチゲート電極３０に隣接する位置にソース領域形成するなどすると、ｎ型コラム２２とｐ型コラム２４の界面に絶縁膜２８が形成された繰返し領域２６を備えた半導体装置を形成することができる。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本発明の半導体は、単結晶のシリコンに限られず、例えばＧａＮ、ＳｉＣ、ダイヤモンド、ＺｎＯなどのワイドバンドギャップの半導体材料、また単結晶に限られずアモルファスや多結晶によって構成してもよい。同様の作用効果を奏し得る。また、絶縁膜は酸化膜に限定することなく、窒化シリコンなどの高誘電体膜でもよい。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
本発明に係る半導体装置１の最良の形態の斜視図を示す。 実施例１の半導体装置２の単位セルを示す。 実施例１の半導体装置３の単位セルを示す。 実施例１の半導体装置４の単位セルを示す。 実施例１の半導体装置の酸化膜厚と耐圧の関係を示す。 実施例１の半導体装置のｐ型コラム濃度と耐圧の関係を示す。 ハーフピッチ幅と耐圧の関係を示す（１）。 ハーフピッチ幅と耐圧の関係を示す（２）。 チャージバランス設定値と耐圧の関係を示す。 実施例２の半導体装置５の単位セルを示す。 実施例２の半導体装置６の単位セルを示す。 実施例２の半導体装置７の単位セルを示す。 実施例２の半導体装置８の単位セルを示す。 実施例２の半導体装置９の単位セルを示す。 実施例２の半導体装置１０の単位セルを示す。 実施例２の半導体装置のそれぞれのオン抵抗を示す。 実施例３の半導体装置１１のハーフ単位セルを示す。 実施例３の半導体装置１２のハーフ単位セルを示す。 実施例３の半導体装置１１のドレイン電圧とドレイン電流の関係を示す。 実施例３の半導体装置１２のドレイン電圧とドレイン電流の関係を示す。 実施例３の半導体装置のチャージバランス設定値と耐圧の関係を示す。 （ａ）実施例４の半導体装置１３の中心領域と周辺領域の要部断面図の模式図を示す。（ｂ）周辺領域のブレークダウン電圧での等電位線分布を示す。 （ａ）実施例４の半導体装置１４の中心領域と周辺領域の要部断面図の模式図を示す。（ｂ）周辺領域のブレークダウン電圧での等電位線分布を示す。 実施例５の半導体装置１５のハーフ単位セルを示す。 実施例５の半導体装置のターンオフ時の電流変化を示す。 実施例６の半導体装置１６の斜視図を示す。 実施例６の半導体装置１７の斜視図を示す。 比較例の半導体装置１８のハーフ単位セルを示す。 実施例７の半導体装置の製造方法を示す（１）。 実施例７の半導体装置の製造方法を示す（２）。 実施例７の半導体装置の製造方法を示す（３）。 実施例７の半導体装置の製造方法を示す（４）。 実施例７の半導体装置の製造方法を示す（５）。 実施例７の半導体装置の製造方法を示す（６）。 実施例７の半導体装置の製造方法を示す（７）。 従来の半導体装置１９の斜視図を示す。
符号の説明
２１：ドレイン領域
２２：ｎ型コラム（第１部分領域）
２４：ｐ型コラム（第２部分領域）
２６：繰返し領域
２８：絶縁膜
３０：トレンチゲート電極
３１：ゲート絶縁膜
３２：ボディ領域
３４：ソース領域（第３部分領域）

Claims (11)

  1. ドレイン電極と、
    そのドレイン電極上に設けられている第１導電型のドレイン領域と、
    そのドレイン領域に接するドリフト領域と、
    そのドリフト領域に接するとともにドレイン領域からはドリフト領域によって隔てられている第２導電型のボディ領域と、
    そのボディ領域に接するとともにドリフト領域からはボディ領域によって隔てられている第１導電型のソース領域と、
    そのソース領域に接するソース電極と、
    ソース領域とドリフト領域を隔てているボディ領域に絶縁層を介して対向しているトレンチゲート電極を備え、
    そのドリフト領域は、ドレイン電極とソース電極を結ぶ方向（電極間方向）に伸びる第１導電型の第１部分領域と、電極間方向に伸びる第２導電型の第２部分領域が、電極間方向に直交する面内で交互に繰返されており、
    トレンチゲート電極は、ボディ領域を貫通して第１部分領域に達しており、
    第１部分領域の中心から第２部分領域の中心までの距離が1.4μm以下であり、
    第１部分領域と第２部分領域の界面の少なくとも一部に絶縁膜が形成されており、
    前記絶縁膜は、前記第１部分領域と第２部分領域の界面の少なくとも一部からボディ領域内にまで伸びており、ボディ領域を介してトレンチゲート電極に対向しているとともに、その端部がボディ領域内に位置していることを特徴とする半導体装置。
  2. 第１部分領域の不純物濃度が1×1016cm-3以上であり、
    第２部分領域の不純物濃度が1×1016cm-3以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 第１部分領域と第２部分領域のそれぞれは薄板状であり、
    第１部分領域のコラム幅が1.0μm以下であり、
    第２部分領域のコラム幅が1.0μm以下であり、
    第１部分領域と第２部分領域の界面に形成されている絶縁膜の膜厚が0.2μm以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
  4. 第１部分領域と第２部分領域のそれぞれは薄板状であり、
    電流経路となる部分領域のコラム幅と不純物濃度の積が、電流経路とならない部分領域のコラム幅と不純物濃度の積よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
  5. 第１部分領域と第２部分領域のそれぞれは薄板状であり、
    前記トレンチゲート電極は、第１部分領域が伸びている面と平行に伸びていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
  6. 絶縁膜が、第１部分領域と第２部分領域の間の全界面に形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
  7. ドレイン電極とドレイン領域の間に第２導電型の半導体領域が付加されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかの半導体装置。
  8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の素子群が形成されている中心領域と、その周囲であって半導体スイッチング素子群が形成されていない周辺領域を備える半導体装置であり、
    周辺領域では、半導体スイッチング素子群の電極間方向に伸びる第１導電型の第１部分領域と、電極間方向に伸びる第２導電型の第２部分領域が、電極間方向に直交する面内で交互に繰返され、中心領域から周辺領域に向かって連続して形成されており、
    周辺領域の第１部分領域の中心から周辺領域の第２部分領域の中心までの距離が1.4μm以下であり、
    周辺領域の第１部分領域と周辺領域の第２部分領域の界面の少なくとも一部からボディ領域内にまで伸びている絶縁膜が形成されていることを特徴とする半導体装置。
  9. 裏面にドレイン電極が設けられており、表面にソース電極が設けられており、そのドレイン電極とソース電極間を電流が流れる半導体装置の製造方法であり、
    ドレイン電極とソース電極を結ぶ方向に伸びる第１導電型の第１部分領域を、電極間方向に直交する面内で第１導電型のドレイン領域上に溝を隔てて複数形成する第１部分領域形成段階と、
    第１部分領域形成段階に次いで、前記溝に露出する第１部分領域群の側壁に絶縁膜を形成する絶縁膜形成段階と、
    絶縁膜形成段階に次いで、前記溝内及び前記第１部分領域群の上面に第２導電型の半導体領域を成長させる第２半導体領域形成段階と、
    第２半導体領域形成段階に次いで、第１部分領域群の上部を第２導電型に反転させて反転領域を形成する反転領域形成段階と、
    反転領域形成段階の後に、第２半導体領域の表面から第２半導体領域及び反転領域を貫通して前記反転領域形成段階で導電型が反転しなかった第１部分領域に達するとともに、第２半導体領域及び反転領域に絶縁層を介して対向する複数のトレンチゲート電極を形成するトレンチゲート形成段階と、第２半導体領域内のトレンチゲート電極に隣接する位置に第３部分領域を形成する第３部分領域形成段階とを備えており、
    前記第１部分領域群の上面に形成された前記第２半導体領域と、前記反転領域と、前記絶縁膜を介して反転領域に対向する第２半導体領域の一部がボディ領域を構成し、前記絶縁膜がボディ領域内に伸びて形成されており、
    第１部分領域の中心から前記溝内の第２半導体領域の中心までの距離が1.4μm以下である半導体装置の製造方法。
  10. 第１部分領域群の上部を第２導電型に反転する反転領域形成段階が、第１導電型の第１部分領域群と第２導電型の半導体領域の相互拡散であることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
  11. 第１部分領域群の上部を第２導電型に反転する反転領域形成段階が、第１部分領域群の上部に、第２導電型の不純物をイオン注入することであることを特徴とする請求項９又は１０に記載の半導体装置の製造方法。
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