JP6438247B2 - 横型半導体装置 - Google Patents
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Description
なお図6では、半導体基板2の表面上に形成するソース電極とドレイン電極と保護膜等の図示を省略している。また、ドリフト領域18より深部の構造は、様々に設計できる。実際の半導体装置では、A−A線を対称軸とする左右対称構造を備えていることがある。
本明細書では、ゲート絶縁膜10とドリフト領域被覆膜14,14aを別々に用意する必要がなく、一枚の共通絶縁膜で兼用してしまう技術を提供する。
上記条件が成立する場合、ソース領域に接する位置からドレイン領域に接する位置まで一枚の絶縁膜が一様な厚みで連続して延びていればよく、ゲート絶縁膜とドリフト領域被覆膜を別々に製造する必要がない。
また後記するように、場所によって厚みが変化する一枚の絶縁膜を形成することが可能であり、その絶縁膜形成方法によると、ゲート絶縁膜の最適厚みとドリフト領域被覆膜の最適厚みが相違する場合でも、ソース領域に接する位置からドレイン領域に接する位置まで連続的に延びる一枚の絶縁膜で、ゲート絶縁膜とドリフト領域被覆膜を兼用することができる。ソース領域に接する位置からドレイン領域に接する位置まで連続的に延びる一枚の絶縁膜が、ゲート絶縁膜として機能する部分とドリフト領域被覆膜として機能する部分を併せ持つことになり、ゲート絶縁膜とドリフト領域被覆膜を別々に用意する必要がなくなる。
STI法に利用するトレンチの深さは、必ずしも一様である必要がない。例えば、ウェル領域に対向する位置での深さと、ドリフト領域を覆う位置での深さを変えてもよい。上記の半導体装置では、ソース領域に接する位置からドレイン領域に接する位置まで、一枚の絶縁膜が連続的に延びている。その絶縁膜は、ゲート絶縁膜として機能する部分とドリフト領域被覆膜として機能する部分を併せ持っており、部分ごとに最適厚みに調整することができる。ゲート絶縁膜とドリフト領域被覆膜を別々に用意する必要がない。
(第1特徴)STI絶縁膜によって、ゲート絶縁膜とドリフト領域被覆膜を兼用させる。
(第2特徴)STI絶縁膜の厚み(トレンチの深さ)は一様である。
(第3特徴)STI絶縁膜の厚み(トレンチの深さ)は場所によって変化する。
(第4特徴)n型に反転するチャネルのためのゲート電極にp型ポリシリコンを用いることで、ドリフト領域被覆膜に必要な厚みを確保しながら、ゲート電極に対向する範囲に反転層を形成する。
(第5特徴)p型に反転するチャネルのためのゲート電極にn型ポリシリコンを用いることで、ドリフト領域被覆膜に必要な厚みを確保しながら、ゲート電極に対向する範囲に反転層を形成する。
(第6特徴)ウェル領域の一部にコンタクト領域とソース領域(あるいはエミッタ領域)が形成されており、コンタクト領域とソース領域等が形成されていない範囲のウェル領域をボディ領域という。ボディ領域はベース領域と称されることがある。
図1は、第1実施例の横型半導体装置、より詳しくは、横型のLDMOSFET((laterally diffused metal oxide semiconductor field-effect transistor)の断面構造を示している。
参照番号2は半導体基板、4はボディ領域(ウエル領域の一部)、6はボディコンタクト領域(ウエル領域の一部)、8はソース領域(ウエル領域の一部に形成されている)、12はゲート電極、16はドレイン領域、18はドリフト領域を示している。ボディ領域4は、半導体基板2の表面の一部に臨む範囲に形成されており、ウェル領域の一部ということがある。ドリフト領域18は、図6,7で例示したように、半導体基板2自体で形成されていてもよいが、図1の実施例では、半導体基板2の一部に形成されているn型の領域で構成されている。図6、7の実施例ではn型の半導体基板2を利用し、図1の実施例ではp型の半導体基板を利用する。図1の場合、半導体基板2自体はp型であり、ソース領域8とドリフト領域18とドレイン領域16はn型であり、ボディ領域4とボディコンタクト領域6はp型である。ソース領域8とボディコンタクト領域6は、図示しないソース電極とオーミック接触する不純物濃度である。ドレイン領域16は、図示しないドレイン電極とオーミック接触する不純物濃度である。ボディ領域4の不純物濃度はボディコンタクト領域6の不純物濃度より薄い。ドリフト領域18の不純物濃度はドレイン領域16の不純物濃度より薄い。ボディコンタクト領域6は、ウェル領域4,6の一部と理解することができる。
(1)半導体基板2の表面の一部に浅いトレンチをエッチングする。そのエッチングでは半導体基板2の表面の一部に窒化膜を形成し、その窒化膜をマスクにして半導体基板2を異方性プラズマエッチングしてトレンチを形成する。マスクとする窒化膜に、絶縁膜13の形成範囲に対応する形状の開孔を形成しておくことで、絶縁膜13の形成範囲にトレンチが形成される。
(2)そのトレンチの内面に薄い熱酸化膜を形成する。
(3)そのトレンチにSiO2を充填する。充填工程にはCVD法を用い、トレンチ形成まえの半導体基板の表面を超えるまでSiO2を堆積させる。
(4)その後にSiO2をエッチングし、エッチング後のSiO2の表面をトレンチ形成まえの半導体基板の表面に一致させる。また、前記(1)で形成した窒化膜をエッチングして除去する。
参照番号12は、ゲート電極であり、p型のポリシリコンで形成されている。
(1)ウェル領域4,6は、半導体基板2の表面の一部に臨む位置に形成されている。
(2)ソース領域8は、ウェル領域4,6内の半導体基板2の表面の一部に臨む位置に形成されている。
(3)ドレイン領域16は、ウェル領域4,6外の半導体基板2の表面の一部に臨む範囲に形成されている。
(4)ドリフト領域18は、ウェル領域4,6とドレイン領域16の間に介在している。
(5)一枚の絶縁膜13が、半導体基板2の表面に沿って、ソース領域8に接する位置からウェル領域の一部であるボディ領域4とドリフト領域18を経てドレイン領域16に接する位置まで、連続的に延びている。
(6)ゲート電極12は、ソース領域8とドリフト領域18を隔てる範囲にあるウェル領域(ボディ領域4)の存在範囲において絶縁膜13の上に積層されている
(7)絶縁膜13は、ソース領域8に接する位置からウェル領域4とドリフト領域18を経てドレイン領域16に接する位置まで、一様に延びている。すなわち、絶縁膜13は、一様な厚みで形成されており、均質な成分で形成されている。
(8)ソース領域8とドリフト領域18とドレイン領域16はn型であり、ボディ領域4とボディコンタクト領域6はp型である。導電型は逆転することができる。すなわち、ソース領域8とドリフト領域18とドレイン領域16はp型であり、ボディ領域4とボディコンタクト領域6はn型であってもよい。要するに、ボディ領域4とボディコンタクト領域6が同一導電型であり(本明細書では第1導電型という)、ソース領域8とドリフト領域18とドレイン領域16も同一導電型であるが、ボディ領域4とボディコンタクト領域6の導電型とは異なった導電型(本明細書では第2導電型という)であれば、意図したように動作する半導体装置が得られる。
ゲート電極の材料を選択する技術と、ボディ領域の不純物濃度を低濃度化する技術と、STI絶縁膜を組み合わせて活用すると、ゲート絶縁膜とドリフト領域被覆膜を共通化する条件が緩和される。
なおp型に反転させて抵抗を下げるゲート電極にn型のポリシリコンを利用すると、閾値電圧の上昇分だけチャネルの不純物濃度を下げることができる。pチャンネル半導体装置の場合は、n型ポリシリコンとSTI絶縁膜の組み合わせが好ましい。
図2に示すように、第2実施例の半導体装置は、ボディ領域(ウエル領域)4から半導体基板2の深い領域を、ドレイン領域16に向けて延びるリサーフ層4aが形成されている。リサーフ層4aは、STI絶縁膜13よりも深く、STI絶縁膜13とリサーフ層4aの間の深さにドリフト領域18が確保されている。
リサーフ層4aが形成されていると、ドリフト領域18の電界分布が均一化しやすい。リサーフ層4aを付加することで半導体装置の耐圧が向上する。必要な耐圧が得られており、同一耐圧を維持できればよい場合には、リサーフ層4aを追加することでドリフト領域18の不純物濃度を上昇させることができる。ドリフト領域18の不純物濃度が上昇するとドリフト領域18の抵抗が下がり、半導体装置のオン抵抗が低下する。あるいはドリフト領域18の長さを短くしても必要な耐圧が確保され、半導体装置の小型化に有利となる。
STI絶縁膜13の厚みは必ずしも一様である必要がなく、場所によって変化させることができる。トレンチの深さを場所によって変えることで、STI絶縁膜13の厚みを場所によって変化させることができる。図2の場合、ゲート絶縁膜として機能する部分を薄くし、ドリフト領域被覆膜として機能する部分を厚くしている。
図3に示すように、リサーフ層4aに濃度プロファイルを形成してもよい。領域4b、4c、4dに順に不純物濃度が徐々に低下するようにすると、ドリフト領域18内における電界分布が均質化され、局所的電界集中の発生を防止することができる。
またドレイン領域16と同電位となるドレインプレート28をSTI絶縁膜13上に配置することが好ましい。ドレインプレート28を配置すると、ドレイン側での電界緩和効果が高くなり、安定化した耐圧を得ることができる。ドレインプレート28はドレイン電極32と同電位にしておくことが好ましい。
ドレイン電極32に、ドレイン領域16のみならず、p+型領域30が接する構造としてもよい。ドレイン電極32にドレイン領域16とp+型領域30が接する構造は、ユニバーサルコンタクトとして知られている。ユニバーサルコンタクトを採用すると、ダイナミックアバランシェ時にホールをドレイン側から引き抜くことができ、素子破壊を防止することができる。
図3に示すように、半導体基板2は、活性層20と中間絶縁層22と基層24が積層されているSOI基板であってもよい。その場合には、活性層20の中に本実施例の半導体構造を実現する。
また図3に示すように、半導体装置をチップ化したときの側面に絶縁膜26が露出するようにしてもよい。図3の半導体装置のチップは、A−A線に対して左右対称な構造を備えている。
STI絶縁膜13のためのトレンチの形状は種々であり得る。図3は、壁面と底面の境界近傍に傾斜面が現れるトレンチ形状を示している。トレンチ形状の改善によって、電界集中を緩和することが可能となる。
図4に示すように、ドレイン領域16に代えてp+型のコレクタ領域35としてもよい。この場合は、ソース領域8がエミッタ領域8aとなる。図4では、エミッタ領域であることを示すために8aの符号を付している。図4の構造によると、IGBTが得られる。IGBTの場合も、STI絶縁膜13を用いると、ゲート絶縁膜とドリフト領域被覆膜を兼用することができる。なお、IGBTとする場合、p+型のコレクタ領域35の周囲にn+型領域34を配置してもよい。n+型領域34を配置することでIGBTの耐圧を高めることができる。
図5は、第5実施例の断面構造を示している。説明済みの部位には同一参照番号を付して重複説明を省略する。参照番号42はn+層を示し、44は絶縁層を示し、36はソースメタルプレートを示し、40はドレインメタルプレートを示し、38は絶縁層を示している。本実施例でもSTI絶縁膜13がソース領域8に接する位置からドレイン領域16に接する位置まで連続的に延びている。STI絶縁膜13は、場所によって膜厚が変動するものであってもよいが、本実施例では一様な厚みで延びている。一様な厚みで必要な機能な確保できる場合は、トレンチ形成工程が簡単化される。
4:ボディ領域(ウェル領域の一部)
4a:リサーフ層
4b、4c、4d:濃度分布を持つリサーフ層
6:ボディコンタクト領域(ウェル領域の一部)
4+6:ウェル領域
8:ソース領域
8a:エミッタ領域
10:ゲート絶縁膜
12:ゲート電極
13:STI絶縁膜
14:LOCOS酸化膜
14a:STI絶縁膜
16:ドレイン領域
18:ドリフト領域
20:活性層
22:中間絶縁層
24:基層
26:側面絶縁層
28:ドレインプレート
30:P+領域
32:ドレイン電極
34:バッファ領域
35:コレクタ領域
36:ソースメタルプレート
38:絶縁層
40:ドレインメタルプレート
42:n層
44:絶縁層
Claims (4)
- 半導体基板の表面の一部に臨む位置に形成されている第1導電側のウェル領域と、
前記ウェル領域内の半導体基板の表面の一部に臨む位置に形成されている第2導電側のソース領域と、
前記ウェル領域外の半導体基板の表面の一部に臨む位置に形成されている第2導電側のドレイン領域と、
前記ウェル領域と前記ドレイン領域の間に介在している第2導電型のドリフト領域と、
半導体基板の表面に沿って、前記ソース領域に接する位置から前記ウェル領域と前記ドリフト領域を経て前記ドレイン領域に接する位置まで延びている絶縁膜と、
前記ソース領域と前記ドリフト領域を隔てる範囲の前記ウェル領域の存在範囲において前記絶縁膜上に積層されているゲート電極を備えており、
一枚の前記絶縁膜が、前記ソース領域に接する位置から前記ドレイン領域に接する位置まで、連続的に延びており、
前記第1導電型がp型であり、前記第2導電型がn型であり、
前記ゲート電極が、p型のポリシリコンであることを特徴する横型半導体装置。 - 前記絶縁膜が、STI法で形成された絶縁膜であることを特徴とする請求項1に記載の横型半導体装置。
- 前記ウェル領域から、半導体基板の表面から離間した深さを、前記ドレイン領域に向けて延びるリサーフ層が形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の横型半導体装置。
- 半導体基板の表面の一部に臨む位置に形成されている第1導電側のウェル領域と、
前記ウェル領域内の半導体基板の表面の一部に臨む位置に形成されている第2導電側のエミッタ領域と、
前記ウェル領域外の半導体基板の表面の一部に臨む位置に形成されている第1導電側のコレクタ領域と、
前記ウェル領域と前記コレクタ領域の間に介在している第2導電型のドリフト領域と、
半導体基板の表面に沿って、前記エミッタ領域に接する位置から前記ウェル領域と前記ドリフト領域を経て前記コレクタ領域に接する位置まで延びている絶縁膜と、
前記エミッタ領域と前記ドリフト領域を隔てる範囲の前記ウェル領域の存在範囲において前記絶縁膜上に積層されているゲート電極を備えており、
一枚の前記絶縁膜が、前記エミッタ領域に接する位置から前記コレクタ領域に接する位置まで、連続的に延びており、
前記第1導電型がp型であり、前記第2導電型がn型であり、
前記ゲート電極が、p型のポリシリコンであることを特徴する横型半導体装置。
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