JP4383820B2 - Trench gate type semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、トレンチゲート型半導体装置、特にソーストレンチを備えるトレンチゲート型MOSゲートデバイスに関するものである。 The present invention relates to a trench gate type semiconductor device, and more particularly to a trench gate type MOS gate device including a source trench.
電流を制御する半導体装置は家庭用電化製品から産業用装置の分野まで広く普及している。特に自動車用エレクトロニクスを支える半導体装置として、ABS等の油圧バルブ制御、パワーウインドウ等のモータ制御、さらに電気自動車のバッテリ直流電圧を交流に変換するインバータシステム等多くの部分に使用されている。 Semiconductor devices that control current are widely used from household appliances to industrial devices. In particular, semiconductor devices that support automobile electronics are used in many parts such as hydraulic valve controls such as ABS, motor controls such as power windows, and inverter systems that convert battery DC voltage of electric vehicles into alternating current.
インバータの高周波化と小型化の要求により、電流制御半導体装置のなかでも、高速スイッチングが可能で、しかも電圧駆動であるため駆動回路を低損失にできるという特徴を有するMOS(Metal Oxide Semiconductor)ゲートデバイスが注目されている。MOSゲートデバイスは、電子または正孔どちらか一方がキャリアとして動作するユニポーラデバイスであるMOSFET(Field Effect Transistor)と、電子と正孔がともにキャリアとして動作するバイポーラデバイスであるIGBT(Insulated Gate Bipolor Transistor)とに大別できる。MOSFETは少数キャリアの蓄積がないため、特に高速性に優れている。 A MOS (Metal Oxide Semiconductor) gate device having characteristics that a high-speed switching is possible among current control semiconductor devices and a drive circuit can be reduced in loss due to a demand for high frequency and miniaturization of an inverter. Is attracting attention. The MOS gate device includes a MOSFET (Field Effect Transistor) that is a unipolar device in which either an electron or a hole operates as a carrier, and an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) that is a bipolar device in which both an electron and a hole operate as a carrier. And can be broadly divided. Since MOSFETs do not accumulate minority carriers, they are particularly excellent in high speed performance.
電流制御半導体装置に要求されている課題として、無効電力削減のためのオン抵抗の低減と、信頼性向上のための耐圧の向上がある。オン抵抗とはMOSFETの最も重要な特性の一つで、ドレインからソースまで、ドレイン電流が流れる素子内のすべての経路を通じた抵抗値を言い、耐圧の低い製品ほど、一般に、チャネル領域の抵抗(チャネル抵抗)の寄与が大きく、20Vクラスで、約70%を占める。一方、耐圧が100Vクラスで約30%である。一方、耐圧とはドレイン−ソース間の耐圧を言い、オン抵抗とはトレードオフの関係にあることが知られている。 Problems required for the current control semiconductor device include a reduction in on-resistance for reducing reactive power and an increase in breakdown voltage for improving reliability. On-resistance is one of the most important characteristics of a MOSFET. It refers to the resistance value through all the paths in the element through which drain current flows from the drain to the source. The lower the breakdown voltage, the more generally the resistance of the channel region ( The contribution of the channel resistance is large, accounting for about 70% in the 20V class. On the other hand, the breakdown voltage is about 30% in the 100V class. On the other hand, the breakdown voltage refers to the breakdown voltage between the drain and the source, and it is known that the ON resistance is in a trade-off relationship.
チャネル抵抗を下げるために、半導体表面から狭く、深い溝(トレンチ)を掘って、その側面にゲートを形成するトレンチゲート構造が開発された。これにより電流経路がトレンチ側壁に3次元的に拡大し、オン抵抗は飛躍的に低減できた。さらに、オン抵抗を下げるために、トレンチゲート間隔を狭め、セル密度を上げて実効的な電流経路の密度を高める構造がとられている。 In order to lower the channel resistance, a trench gate structure has been developed in which a narrow and deep trench is formed from the semiconductor surface and a gate is formed on the side surface. As a result, the current path is three-dimensionally expanded on the trench sidewall, and the on-resistance can be drastically reduced. Further, in order to lower the on-resistance, a structure is adopted in which the trench gate interval is narrowed to increase the cell density to increase the effective current path density.
一方、ドレイン−ソース間に過大な電圧が印加されると、最も電界が集中するゲートトレンチ底部において降伏(ブレークダウン)が起こる。そこで、ゲートトレンチ底部における電界集中を緩和するために、ゲートトレンチと同じ深さを有するソーストレンチをゲートトレンチの間に設け、そのソーストレンチの内表面を覆うようにソース絶縁膜を形成し、ドープドポリシリコンなどからなるソーストレンチ電極をソーストレンチを充填するように形成する構造が提案された(例えば、特許文献1参照)。 On the other hand, when an excessive voltage is applied between the drain and the source, breakdown occurs at the bottom of the gate trench where the electric field is most concentrated. Therefore, in order to alleviate electric field concentration at the bottom of the gate trench, a source trench having the same depth as the gate trench is provided between the gate trenches, a source insulating film is formed so as to cover the inner surface of the source trench, and doping is performed. A structure has been proposed in which a source trench electrode made of depolysilicon or the like is formed so as to fill the source trench (see, for example, Patent Document 1).
この構成によれば、ドリフト層におけるソース絶縁膜表面にドリフト層の電子が吸い寄せられて負の空間電荷を形成し、ドリフト層のゲートトレンチ底のコーナー近傍の電界の集中を緩和するため、耐圧が向上する。 According to this configuration, the electrons in the drift layer are attracted to the surface of the source insulating film in the drift layer to form negative space charges, and the concentration of the electric field near the corner of the bottom of the gate trench in the drift layer is alleviated. improves.
上記特許文献1の発明は、ソース(エミッタ)トレンチの底から基板までのドリフト層の厚さが十分(50μm以上)ある、IGBTなど比較的高耐圧のパワー半導体製品で有効である。ドリフト層の厚みで耐圧をとる構造となっているため、ソース(エミッタ)トレンチの底から基板までのドリフト層の厚さが十分あり、ソース(エミッタ)トレンチにおいて耐圧を確保するために、埋め込みソース電極を絶縁する絶縁膜を厚くする必要は無いためである。 The invention of Patent Document 1 is effective for power semiconductor products having a relatively high breakdown voltage, such as an IGBT, in which the drift layer from the bottom of the source (emitter) trench to the substrate has a sufficient thickness (50 μm or more). Since the structure has a breakdown voltage with the thickness of the drift layer, the thickness of the drift layer from the bottom of the source (emitter) trench to the substrate is sufficient, and the buried source is used to ensure the breakdown voltage in the source (emitter) trench. This is because it is not necessary to increase the thickness of the insulating film that insulates the electrodes.
しかしながら、耐圧が100V程度以下の低耐圧MOSEFTにおいては、オン抵抗を低減するため、ドリフト層の厚さは約十数μmと薄い。そのため、ゲートトレンチ底部コーナーでの電界集中を緩和するため、ドリフト層を貫通するソーストレンチ電極の底の高さをゲート絶縁層の底の高さより下に配置した場合には、ソーストレンチ内を覆うソーストレンチ絶縁膜のみでドレイン−ソース間の耐圧の大部分を保持しなければならない。したがって、耐圧を向上させるため、ソーストレンチ絶縁膜の厚みを厚くする必要がある。例えば、耐圧100VのMOSFETでは、ソーストレンチ絶縁膜を良質の酸化膜で構成した場合でも、少なくとも100nmの膜厚が必要であり、膜質のばらつき、信頼性の確保を考慮すると500nm以上の膜厚が必要となる。 However, in the low breakdown voltage MOSEFT having a breakdown voltage of about 100 V or less, the drift layer is as thin as about a dozen μm in order to reduce the on-resistance. Therefore, in order to alleviate the electric field concentration at the bottom corner of the gate trench, when the bottom height of the source trench electrode penetrating the drift layer is arranged below the bottom height of the gate insulating layer, the inside of the source trench is covered. Most of the breakdown voltage between the drain and source must be maintained only by the source trench insulating film. Therefore, in order to improve the breakdown voltage, it is necessary to increase the thickness of the source trench insulating film. For example, a MOSFET with a withstand voltage of 100 V requires a film thickness of at least 100 nm even when the source trench insulating film is formed of a high-quality oxide film, and the film thickness of 500 nm or more is required in consideration of variations in film quality and ensuring reliability. Necessary.
ソーストレンチ底部にソーストレンチ絶縁膜をCVD法などによる酸化膜により形成する際には、ソーストレンチ側壁にも厚い酸化膜が形成される。後工程の電極埋め込み性を考慮すると、ソーストレンチの開口幅はある程度広い必要がある。一般にソーストレンチ絶縁膜(層間絶縁膜)は、ゲート絶縁膜より厚い必要があるため、一般にソーストレンチの幅は、ゲートトレンチ幅より広くする必要があった。 When the source trench insulating film is formed on the bottom of the source trench by an oxide film by CVD or the like, a thick oxide film is also formed on the side wall of the source trench. Considering the electrode embedding property in a later step, the opening width of the source trench needs to be large to some extent. In general, since the source trench insulating film (interlayer insulating film) needs to be thicker than the gate insulating film, in general, the width of the source trench needs to be wider than the width of the gate trench.
一方、オン抵抗低減のためには、ゲートトレンチ間隔を狭め、セルピッチを小さくする必要があるが、幅の広いソーストレンチをゲートトレンチ間に配置することは、ゲートトレンチ間隔の縮小の制限となる。 On the other hand, in order to reduce the on-resistance, it is necessary to narrow the gate trench interval and reduce the cell pitch. However, disposing a wide source trench between the gate trenches limits the reduction of the gate trench interval.
例えば、ゲートトレンチの幅を0.5μmとし、ソーストレンチを形成せずセルピッチを2μmルールすなわち、トレンチ間隔を1.5μmとした場合と比較する。ソーストレンチの幅が1.5μmであって、単位セルの中にゲートトレンチとソーストレンチとを平行に配置した場合には、同じ1.5μmのトレンチ間隔を確保すると、セルピッチは、5μm(=0.5+1.5+1.5+1.5)となってしまう。 For example, it is compared with the case where the width of the gate trench is 0.5 μm, the source trench is not formed, the cell pitch is 2 μm rule, that is, the trench interval is 1.5 μm. When the width of the source trench is 1.5 μm and the gate trench and the source trench are arranged in parallel in the unit cell, the cell pitch is 5 μm (= 0 if the same 1.5 μm trench spacing is secured. .5 + 1.5 + 1.5 + 1.5).
オン抵抗のチャネル抵抗に占める割合の大きい低耐圧MOSFETでは、セルピッチの拡大により、オン抵抗が大きく増大し、相対的に耐圧向上の効果がほとんど現れない場合があった。 In a low breakdown voltage MOSFET having a large ratio of on-resistance to channel resistance, the on-resistance is greatly increased due to the expansion of the cell pitch, and there is a case where the effect of improving the breakdown voltage is hardly exhibited.
そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高い耐圧と、低いオン抵抗を実現するトレンチゲート型半導体装置を提供する。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and provides a trench gate type semiconductor device that realizes a high breakdown voltage and a low on-resistance.
本発明のトレンチゲート型半導体装置は、n(p)型半導体基板の上面に形成されたn(p)型ドリフト領域と、前記n(p)型ドリフト領域の上面に形成されたp(n)型チャネル領域と、前記p(n)型チャネル領域の上面に形成されたn(p)型ソース領域と、前記ソース領域および前記p(n)型チャネル領域を貫き前記n(p)型ドリフト領域に達するゲートトレンチと、前記ゲートトレンチの中にゲート絶縁膜を介して埋め込まれたゲート電極と、少なくとも前記n(p)型ドリフト領域に達するソーストレンチと、前記ソーストレンチの中に層間絶縁膜を介して埋め込まれたソース電極と、を備え、前記ゲートトレンチと前記ソーストレンチとが交差して配列されていることを特徴とする。 The trench gate type semiconductor device of the present invention includes an n (p) type drift region formed on the upper surface of an n (p) type semiconductor substrate, and a p (n) formed on the upper surface of the n (p) type drift region. Type channel region, an n (p) type source region formed on the upper surface of the p (n) type channel region, and the n (p) type drift region penetrating the source region and the p (n) type channel region A gate trench embedded in the gate trench through a gate insulating film, a source trench reaching at least the n (p) -type drift region, and an interlayer insulating film in the source trench A source electrode embedded in the gate trench, and the gate trench and the source trench are arranged to cross each other.
また、本発明の他の態様では、前記ソース電極の底面は、前記ゲート絶縁膜の底面より下に位置することを特徴とする。 In another aspect of the present invention, the bottom surface of the source electrode is located below the bottom surface of the gate insulating film.
また、本発明の他の態様では、前記ソース電極の一部は、前記層間絶縁膜が取り去られた前記ソーストレンチ側壁の前記ソース領域と電気的接続をすることを特徴とする。 In another aspect of the present invention, a part of the source electrode is electrically connected to the source region on the side wall of the source trench from which the interlayer insulating film is removed.
また、本発明の他の態様では、前記層間絶縁膜は、トレンチ底部での厚みが、前記トレンチ開口縁部での厚みより厚いことを特徴とする。 In another aspect of the present invention, the interlayer insulating film is characterized in that the thickness at the bottom of the trench is thicker than the thickness at the edge of the trench opening.
また、本発明の他の態様では、前記ソーストレンチの間の前記ゲートトレンチ下であって、前記n(p)型ドリフト領域に、フローティングp(n)領域を備えることを特徴とする。 In another aspect of the present invention, a floating p (n) region is provided in the n (p) type drift region below the gate trench between the source trenches.
また、本発明の他の態様では、少なくとも2つ以上の前記ゲートトレンチおよびゲート電極と、少なくとも2つ以上の前記ソーストレンチおよびソース電極と、を備え、前記ゲート電極は、配線電極により相互に接続されていることを特徴とする。 In another aspect of the present invention, at least two or more of the gate trenches and gate electrodes and at least two or more of the source trenches and source electrodes are provided, and the gate electrodes are connected to each other by wiring electrodes. It is characterized by being.
また、本発明の他の態様では、前記配線電極は、前記ソース領域および前記p(n)型チャネル領域を貫き前記n(p)型ドリフト領域に達する配線トレンチと、前記配線トレンチの中に配線トレンチ絶縁膜を介して埋め込まれた配線電極とを含むことを特徴とする。 In another aspect of the present invention, the wiring electrode includes a wiring trench that penetrates the source region and the p (n) type channel region and reaches the n (p) type drift region, and a wiring in the wiring trench. And a wiring electrode embedded through a trench insulating film.
本発明によれば、ドリフト層のゲートトレンチ底コーナー部に集中する電界を緩和し、耐圧を向上させる構造を、オン抵抗を大きく犠牲にすることなく、実現することができる。 According to the present invention, it is possible to realize a structure that relaxes the electric field concentrated on the bottom corner portion of the gate trench of the drift layer and improves the breakdown voltage without greatly sacrificing the on-resistance.
本発明の効果を、ゲートトレンチの間に、ゲートトレンチと平行にソーストレンチを配置していた従来構造と、耐圧およびオン抵抗について比較して説明する。 The effect of the present invention will be described in comparison with the conventional structure in which the source trench is disposed between the gate trenches in parallel with the gate trench in terms of breakdown voltage and on-resistance.
図1は、本発明の実施例のトレンチゲート型半導体装置のゲートトレンチとソーストレンチとの配置と、従来構造のゲートトレンチとソーストレンチとの配置を模式的に示す図である。 FIG. 1 is a diagram schematically showing the arrangement of a gate trench and a source trench of a trench gate type semiconductor device according to an embodiment of the present invention, and the arrangement of a gate trench and a source trench having a conventional structure.
耐圧については、ソーストレンチを所定の深さおよび間隔で配置することにより、両者は同様の向上を実現することができる。 With respect to the breakdown voltage, the same improvement can be realized by arranging the source trenches at a predetermined depth and interval.
次にオン抵抗を比較する。ゲートトレンチとソーストレンチの配置のみが異なる場合には、オン抵抗はMOSFETの有効エリア単位面積当たりのチャネル幅に反比例する。そこで、両者のチャネル幅を比較する。 Next, the on-resistance is compared. When only the arrangement of the gate trench and the source trench is different, the on-resistance is inversely proportional to the channel width per effective area unit area of the MOSFET. Therefore, the channel widths of both are compared.
ここで、1mm×1mmの半導体装置の有効エリアにおけるチャネル幅を考える。ゲートトレンチ、ソーストレンチの幅およびトレンチ間隔をそれぞれ、0.5μm、1.5μmおよび1.5μmと共通とする。 Here, a channel width in an effective area of a 1 mm × 1 mm semiconductor device is considered. The width of the gate trench and the source trench and the trench interval are respectively common to 0.5 μm, 1.5 μm and 1.5 μm.
ゲートトレンチの間にゲートトレンチと平行にソーストレンチを配置していた従来構造の場合、図2(a)に示すように、ゲートトレンチとゲートトレンチとの間隔であるセルピッチは、5μmとなり、この有効エリア内のチャネル幅は、(1mm/5μm)×2×1mm=400mmとなる。 In the case of the conventional structure in which the source trench is arranged in parallel with the gate trench between the gate trenches, as shown in FIG. 2A, the cell pitch, which is the distance between the gate trench and the gate trench, is 5 μm. The channel width in the area is (1 mm / 5 μm) × 2 × 1 mm = 400 mm.
一方、本発明の実施例のトレンチゲート型半導体装置の場合、図2(b)に示すように、ソーストレンチのピッチを従来構造と同様に5μmとすると、ゲートトレンチピッチは、ソーストレンチ幅に関係なくプロセス上のルールから、2μmとすることができる。したがって、有効エリア内のチャネル幅は、(1mm/2μm)×2×(1mm−1.5μm×1mm/5μm)=700mmとなる。 On the other hand, in the case of the trench gate type semiconductor device according to the embodiment of the present invention, as shown in FIG. 2B, when the pitch of the source trench is 5 μm as in the conventional structure, the gate trench pitch is related to the width of the source trench. From the process rule, it can be set to 2 μm. Therefore, the channel width in the effective area is (1 mm / 2 μm) × 2 × (1 mm−1.5 μm × 1 mm / 5 μm) = 700 mm.
したがって、本発明によれば、従来構造と同じ耐圧向上が得られ、かつ、チャネル幅を75%拡大することができ、オン抵抗を低減することができる。 Therefore, according to the present invention, the same breakdown voltage improvement as the conventional structure can be obtained, the channel width can be increased by 75%, and the on-resistance can be reduced.
以下、本発明を実施するための最良の形態(以下、実施形態という)について、図面に基づいて説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention (hereinafter referred to as an embodiment) will be described with reference to the drawings.
[実施形態1]
(構造)
図2は実施形態1に係るMOSFET100の断面構造を模式的に示す図である。シリコンからなるn+型基板1にn-型ドリフト領域2、電子の経路であるチャネルが形成されるp型のチャネルp領域3が順に積層され、チャネルp領域3の上面には、電子が伝導するn+型ソース領域4形成されている。ゲートトレンチ5は、n+型ソース領域4およびチャネルp領域3を貫き、n-型ドリフト領域2に達する溝であり、ゲートトレンチ5は、ゲート絶縁膜6を介して多結晶シリコンで構成されるゲート電極7が埋め込まれている。
[Embodiment 1]
(Construction)
FIG. 2 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of the
ソーストレンチ8は、ソース領域4、p型チャネル領域3、および前記n-型ドリフト領域2を貫き、n+型基板1達する溝であり、前記ゲートトレンチと直交している。さらに、ソーストレンチ8に層間絶縁膜9を介して埋め込みソース電極10が埋め込まれている。
The
ゲート電極7は、ソーストレンチ8で分断されるため、ゲート電極7への電圧印加のために、ソーストレンチ8に平行して設けられたゲート接続溝20に埋め込まれた多結晶Siによりゲート電極7を相互に接続させ、MOSFET100の端部から外部に接続する。実施形態1のMOSFET100では、例として、接続配線をソーストレンチ8に平行な方向に配した構造とした。また、埋め込みソース電極10の上面にはソース表面電極13が形成され、n+型基板1の裏面にはドレイン電極14が形成される。
Since the
層間絶縁膜9は、ゲートトレンチ5とゲートトレンチ5との間のn+型ソース領域4に接する領域から除去されており、その除去された領域に埋め込みソース電極10が張り出し、ソーストレンチ8側壁のソース領域4およびチャネル領域3と埋め込みソース電極10とが電気的接続される。ソーストレンチ側壁でn+型ソース領域4およびチャネルp領域3と埋め込みソース電極10とが電気的接続をとる構造によれば、半導体装置表面において、電気的接続をするためのコンタクト面積を確保する必要が無いため、ゲートピッチを縮小することができ、オン抵抗を低減することができる。
The
ここで、埋め込みソース電極10の底面の位置(高さ)は、n-型ドリフト領域2にあるゲートトレンチ5の底面(ゲート絶縁膜6とn-型ドリフト領域2との界面の底)の位置(高さ)より下にあることが好ましい。
Here, the position of the bottom surface of the buried source electrode 10 (height), n - the position of the - (bottom of the interface between the
この構成により、トレンチ型MOSFETの耐圧を決めているゲートの底部コーナーにおける電界の集中を緩和し、耐圧を向上させることができる。この電界集中の緩和は、埋め込みソース電極10により、ゲートの底部の存在するn-型ドリフト領域2に、層間絶縁膜9を介してソース電位が印加され、n-型ドリフト領域2の空乏層が拡大したことによる。
With this configuration, it is possible to reduce the concentration of the electric field at the bottom corner of the gate that determines the breakdown voltage of the trench MOSFET, and to improve the breakdown voltage. To alleviate this electric field concentration, a source potential is applied via the
埋め込みソース電極10の底面の高さが、ゲートトレンチ5とn-型ドリフト領域2と界面の底面の位置とほぼ同じ高さであれば、ゲートトレンチ底部の電界集中を緩和する効果があるが、ゲートトレンチ5とn-型ドリフト領域2と界面の底の位置より下にあれば、電界分布が、ドレイン側により拡大し、より大きい耐圧向上の効果が得られる。
If the height of the bottom surface of the buried
ここで、実施形態1に係るMOSFET100において、ソーストレンチ8は、ゲートトレンチ5に直交する例としたが、ソーストレンチ8とゲートトレンチ5とは直交しなくても、交差していれば良い。交差さえしていれば、埋め込みソース電極10による耐圧向上と、ゲートピッチがソーストレンチ幅およびソーストレンチ形状に因らず縮小できオン抵抗を低減するという効果を得ることができる。ただし、ゲートトレンチ幅、ソーストレンチ幅、およびプロセス上の制限からトレンチとトレンチとの間隔が一定であるという条件では、ソーストレンチ8とゲートトレンチ5とが直交する配置が好ましい。ソーストレンチ8とゲートトレンチ5との交差する体積が最も小さくでき、チャネル幅が最も長くなるため、オン抵抗が小さくできるためである。
Here, in the
また、本発明の実施形態1に係るMOSFET100において、ソーストレンチ8は、n+型基板1にまで達する構造としたが、n+型基板1にまで達せず、底がn-型ドリフト領域2に留まっていてもよい。耐圧向上の効果は、直接ソーストレンチ8の深さで決まるのではなく、埋め込みソース電極10の底面の高さと、ゲートトレンチ5とn-型ドリフト領域2との界面の高さによって決まるためである。ソーストレンチ8の底面の高さと埋め込みソース電極10の底面の高さとの差は、層間絶縁膜9の底部の厚みによって決まる。ソーストレンチ8が、n+型基板1にまで達する構造とした場合、ソース−ドレイン(n+型基板1)との耐圧を、層間絶縁膜9のみで保持する必要があり、ソーストレンチ8が、n-型ドリフト領域2に留まっている構造とした場合、ソース−ドレイン(n+型基板1)との耐圧は、n-型ドリフト領域2のソーストレンチ8から下の部分と層間絶縁膜9とで保持する必要がある。いずれの場合においても、層間絶縁膜9の耐圧は絶縁膜質により、左右される。したがって、ソーストレンチ8が、n型ドリフト層を突き抜く構造とさせるか、ソーストレンチ8の底面がn型ドリフト層に留まる構造とさせるかは、埋め込みソース電極10の底面の高さによる耐圧向上の効果と、層間絶縁膜9の質および厚さにより決められる。
Further, in MOSFET100 according to the first embodiment of the present invention, the
また、実施形態1に係るMOSFET100において、n+型ソース領域4およびチャネルp領域3と埋め込みソース電極10とは、ソーストレンチ側壁でコンタクトし電気的接続をとる例を説明したが、n+型ソース領域4の上面で埋め込みソース電極10とn+型ソース領域4およびチャネルp領域3とがコンタクトをとり、電気的接続をとってもよい。
Further, in MOSFET100 according to the first embodiment, and the
ソーストレンチ8側壁で埋め込みソース電極10とn+型ソース領域4およびチャネルp領域3とを電気的にコンタクトさせるためには、層間絶縁膜9を、ゲートトレンチ5とゲートトレンチ5との間のn+型ソース領域4に接する領域を除去するエッチングを行う必要がある。そのエッチングの深さは、n+型ソース領域4を貫通し、かつチャネルp領域3内に留まる必要があるため、高い精度が要求される。このため、埋め込みソース電極10とn+型ソース領域4およびチャネルp領域3とをソーストレンチ側壁で電気的にコンタクトせず、ウエハ上面のn+型ソース領域4およびチャネルp領域3で電気的にコンタクトする構造とすれば、高い精度が必要なエッチングプロセスを排除し、安定したコンタクト抵抗を実現することができる。
In order to electrically contact the buried
また、ソーストレンチ8内の層間絶縁膜9は、トレンチ底部での厚みが、ソーストレンチ開口縁部での厚みより厚いことが好ましい。ソーストレンチ8の底部の層間絶縁膜9は、埋め込みソース電極10とn+型基板1との耐圧をとるために一定の厚み以上である必要がある。一方、ソーストレンチ縁部の層間絶縁膜9には、耐圧をとるために厚みを厚くする必要は無く、逆に、層間絶縁膜9が薄いほどソーストレンチ8の幅を狭くでき、チャネル幅を広くとることができるため、オン抵抗を低減することができる。ソーストレンチ8のウエハ上面(縁部)での開口幅は、ソーストレンチ8の底に所定の厚みの層間絶縁膜9が堆積できる開口幅に決められる。層間絶縁膜9をCVD法などにより堆積する際、開口幅が狭いと、トレンチ底にまで十分絶縁膜材料が到達せず、必要な厚みの絶縁膜を堆積することができないためである。したがって、この構造によれば、高い耐圧と、低いオン抵抗を実現することができる。
The
また、本発明の実施形態1に係るMOSFET100において、基板をn型とする構造を例にしたが、半導体各層、領域の導電型はそれぞれ逆の導電型でも良い。例えば、基板、ドリフト領域およびソース領域がp型であり、チャネル領域がn型でもよい。その場合、ホールをキャリアとして、実施形態1に係るMOSFET100と同様な動作を行う。さらに本実施形態では半導体としてシリコンを用いたが、化合物半導体を用いることも可能である。
In the
また、ゲートの底部コーナーにおける電界の集中を緩和するための構造として、埋め込み電極をソース電極と電気的接続させたものとしたが、埋め込み電極とソース電極とは電気的接続をとらず、埋め込み電極にソース電位とは別の電位を加えてもよい。埋め込み電極の電位は、ソース電位である接地電位でなくても、n-型ドリフト領域2の空乏層を深さ方向に拡大することができる。
Further, as a structure for reducing the concentration of the electric field at the bottom corner of the gate, the buried electrode is electrically connected to the source electrode. However, the buried electrode and the source electrode are not electrically connected, and the buried electrode is not electrically connected. A potential different from the source potential may be applied to the capacitor. Even if the potential of the buried electrode is not the ground potential which is the source potential, the depletion layer of the n −
(デバイス性能のシミュレーション)
次に、本発明の実施形態1に係るMOSFET100のドレイン−ソース間耐圧の向上について説明する。
(Simulation of device performance)
Next, the improvement of the drain-source breakdown voltage of the
図3は、シミュレーションによって得られた、ソーストレンチを設けたトレンチゲート型半導体装置とソーストレンチを設けていない従来構造のトレンチゲート型半導体装置とのゲートトレンチ底5B近傍のブレークダウン時のゲートトレンチ断面の電界分布を示した図である。また、図4は、図3のA−A断面における電界強度の深さ方向への分布を示す図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the gate trench at the time of breakdown near the
図3(a)および図4(a)に示すソーストレンチを設けていない従来構造では、n-型ドリフト領域2のゲートトレンチ底5B近傍において、電界が集中し、ブレークダウンが起こる。一方、図3(b)および図4(b)に示すソーストレンチを設けたトレンチゲート型半導体装置では、接地電位である埋め込みソース電極10が、n-型ドリフト領域2の空乏層を深さ方向に拡大するため、電界分布が従来構造と比べ緩和し、電界強度のピークが低下する。図4(b)に示すように、ソーストレンチを設けたトレンチゲート型半導体装置では、電界集中が緩和し、斜線領域で示す面積だけ耐圧が向上することがわかる。
In the conventional structure in which the source trench shown in FIGS. 3A and 4A is not provided, the electric field concentrates in the vicinity of the
具体的には、n-型ドリフト領域2のn型ドーピング濃度を、1×1016cm-3とし、厚みを6μmとした場合、ソーストレンチを設けない従来構造で約50Vであった耐圧は、ソーストレンチ構造により約80Vに向上することができる。
Specifically, when the n-type doping concentration of the n − -
一方、電界分布を基板に平行な面(ゲートトレンチに垂直な面)で考えると、本発明の実施形態1のMOSFET100において、電界は、ソーストレンチから最も離れたゲートトレンチの底部、すなわち隣り合ったソーストレンチの中間点に位置するゲートトレンチの底部に集中する。したがって、ドレイン−ソース間の耐圧はソーストレンチピッチに依存することになる。
On the other hand, when the electric field distribution is considered in terms of a plane parallel to the substrate (a plane perpendicular to the gate trench), in the
図5は、シミュレーションによって得られた、本発明の実施形態1のMOSFET100のソーストレンチピッチと耐圧の関係を示す図である。太線は、ソーストレンチ構造が無い場合の耐圧を示す。シミュレーションは、例として、n-型ドリフト領域2のドーピング濃度を1×1016cm-3、ソーストレンチ幅を1.5μm、ソーストレンチの層間絶縁膜9の厚さを0.5μm、ゲートトレンチの深さを2.0μm、ゲート絶縁膜6の厚さを0.1μmとした条件で行った。
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the source trench pitch and the breakdown voltage of the
図5に示されるように、ソーストレンチピッチが小さくなるほど、耐圧が上がることが分かり、この条件では、ソーストレンチピッチを5μm程度以下にすると、耐圧向上の効果が顕著になる。耐圧向上の効果が顕著になるソーストレンチピッチは、ドリフト層のドーピング濃度、ソーストレンチの層間絶縁膜9の厚さ等の条件が異なれば、それに応じて異なる。
As shown in FIG. 5, it can be seen that the breakdown voltage increases as the source trench pitch decreases. Under these conditions, the effect of improving the breakdown voltage becomes significant when the source trench pitch is about 5 μm or less. If the conditions such as the doping concentration of the drift layer and the thickness of the
一方、オン抵抗も、ソーストレンチピッチが小さくなるほど、上昇する。ソーストレンチ8とゲートトレンチ5との交差する体積が増え、チャネル幅が狭くなるためである。
On the other hand, the on-resistance increases as the source trench pitch decreases. This is because the volume where the
したがって、ソーストレンチピッチは、トレンチゲート型半導体装置に要求されるドレイン−ソース間耐圧向上の効果が得られるだけ小さい範囲で、かつ、所望のオン抵抗が得られるように大きい値に適切に決められる。 Accordingly, the source trench pitch is appropriately determined within a range that is as small as possible to obtain the drain-source breakdown voltage improvement effect required for the trench gate type semiconductor device and a large value so that a desired on-resistance can be obtained. .
また、以上説明したように耐圧は、ソーストレンチ幅が一定であれば、ソーストレンチピッチによって決まる。すなわち、隣り合ったソーストレンチの側壁間の距離によって耐圧が決まる。したがって、隣り合ったソーストレンチの側壁間の距離を保持したまま、ソーストレンチ幅を狭めることにより、ドレイン−ソース間の耐圧を低下させること無く、チャネル幅を広げ、オン抵抗を低減することができる。 Further, as described above, the breakdown voltage is determined by the source trench pitch if the source trench width is constant. That is, the breakdown voltage is determined by the distance between the side walls of adjacent source trenches. Therefore, by narrowing the source trench width while maintaining the distance between the side walls of adjacent source trenches, the channel width can be increased and the on-resistance can be reduced without reducing the drain-source breakdown voltage. .
(製造方法)
本発明の実施形態1に係るMOSFET100の製造工程を図を用いて説明する。図6から図8は製造工程を説明するための工程図である。
(Production method)
A manufacturing process of
まず、図6(a)に示すように、n型基板1にn-型ドリフト領域2をエピタキシャル成長したウエハに、広く知られた半導体プロセスを用いて、ストライプ形状のゲートトレンチ5ならびに、チャネルp領域3およびn+型ソース領域4を形成する。
First, as shown in FIG. 6A, a stripe-shaped
次に、図6(b)に示すように、CVD法によりウエハ全面に堆積したSiO2膜を、フォトリソグラフィー法を用いて、ソーストレンチマスクパターンに形成する。このSiO2膜をマスクとし、RIE等のドライエッチング法により、ソーストレンチ8を形成する。図6(b)に示す例では、ソーストレンチ8は、n-型ドリフト領域2を貫きn型基板1に達する深さとした。ここで、ゲートトレンチ5より深いソーストレンチ8を形成するために、エッチングは、Si/SiO2の選択比の小さい条件で行う。
Next, as shown in FIG. 6B, a
次に、図7(c)に示すように、ソーストレンチ8内に、所定の厚みの層間絶縁膜9をCVD法により析出させる。
Next, as shown in FIG. 7C, an
次に、図7(d)に示すように、層間絶縁膜9に覆われたソーストレンチ8内に充填するように、ウエハ全面に不純物をドープしたポリシリコンを堆積させる。そして、ソーストレンチ8内以外のウエハ表面のポリシリコンをエッチバックにより除去する。残ったソーストレンチ8内のドープされたポリシリコンが埋め込みソース電極10となる。
Next, as shown in FIG. 7D, polysilicon doped with impurities is deposited on the entire surface of the wafer so as to fill the
次に、図8(e)に示すように、埋め込みソース電極10のn+型ソース領域4およびチャネルp領域3とソース電極とのコンタクトをとる領域を、RIE等の異方性エッチング法により除去する。このエッチングは、エッチングする埋め込みソース電極10の表面の高さがチャネルp領域3の位置する高さまで行われる。さらに、層間絶縁膜9を、ウエットエッチング法によりエッチングしてコンタクト溝12を形成し、ソーストレンチ側壁のn+型ソース領域4およびチャネルp領域3のコンタクト面を露出させる。
Next, as shown in FIG. 8 (e), the n + -type source region 4 and the
次に、図8(f)に示すように、金合金などのメタルおよびポリシリコン等でコンタクト溝12を埋め込むソース表面電極13を形成する。その後、n+型基板1の裏面にドレイン電極14を形成する。
Next, as shown in FIG. 8F, a
[実施形態2]
(構造)
図9は本発明の実施形態2に係るMOSFET101の断面構造を模式的に示す図である。MOSFET101は、実施形態1に係るMOSFET100の構成に加え、ソーストレンチ8の間のゲートトレンチ5下部にフローティングp領域15を備えることである。
[Embodiment 2]
(Construction)
FIG. 9 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of the
図5に示した実施形態1のMOSFET100のデバイス性能のシミュレーション結果から分かるように、ソーストレンチピッチが小さくなるほど、耐圧が上がるが、オン抵抗も上昇してしまう。そこで、実施形態2に係るMOSFET101は、図9に示すようにソーストレンチ8の間のゲートトレンチ5下部にフローティングp領域15を設け、このフローティングp領域15にソーストレンチ8からの電界を与えることにより、フローティングp領域15にソーストレンチ8と同様の機能を持たせる構造としたものである。
As can be seen from the simulation results of the device performance of the
したがって、実施形態2に係るMOSFET101の構造によれば、フローティングp領域15の無い構造と比べ、ソーストレンチピッチをフローティングp領域15の幅だけ広げても、ほぼ同等の耐圧を維持することができる。一方、ソーストレンチピッチを広げたため、ゲートトレンチとソーストレンチとが交差する体積が減り、チャネル幅が広くなるため、オン抵抗を下げることができる。
Therefore, according to the structure of the
(製造方法)
実施形態2に係るMOSFET101の製造工程は、実施形態1に係るMOSFET100の製造工程に、フローティングp領域15の製造工程が挿入される。
(Production method)
In the manufacturing process of the
フローティングp領域15の製造工程には、2通りの方法がある。第1の方法は、図6(a)に示した、n+型基板1にn-型ドリフト領域2をエピタキシャル成長する前に、n+型基板1にパターンニングして、フローティングp領域15を選択エピタキシャル成長し、その後、パターンニングマスクを除去して、全面にn-型ドリフト領域2をエピタキシャル成長する方法である。第2の方法は、ゲートトレンチ5のエッチング後、ゲートトレンチ底部のn-型ドリフト領域2に高速イオン注入法によりB等のp型ドーピングを行う方法である。高速イオン注入法は、加速エネルギー条件により、イオンの打ち込み深さを制御できるため、ゲートトレンチ底部のn-型ドリフト領域2の所定の深さの領域をフローティングp領域15とすることができる。
There are two methods for manufacturing the floating
[実施形態3]
図10は実施形態3に係るMOSFET102の断面構造を模式的に示す図である。実施形態1に係るMOSFET100では、ゲート電極7を相互に接続し外部に電気的接続をとるためのゲート接続溝20が、ゲートと同じ構造であったが、MOSFET102は、ゲート接続溝20をソーストレンチと同じ構造としたものである。
[Embodiment 3]
FIG. 10 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of the
実施形態3に係るMOSFET102のゲート接続溝20は、ソース領域4、p型チャネル領域3、およびn-型ドリフト領域2を貫き、n+型基板1に達し、前記ゲートトレンチと直交する溝であり、ゲート接続溝20には層間絶縁膜9を介してドープされたポリシリコンが埋め込まれている。さらに、埋め込みソース電極10とソース領域4およびp型チャネル領域3とのコンタクトと同様の方法で、ゲート電極7を相互に電気的に接続する。
The
この構造によれば、既に形成された微細なゲート接続溝20パターンの間にソーストレンチパターンを形成する必要が無いため、フォトリソグラフィーにおける、精度の高いマスク合わせ工程を排除することができる。
According to this structure, since it is not necessary to form a source trench pattern between the already formed fine
1 基板、2 ドリフト領域、3 チャネルp領域、4 ソース領域、5 ゲートトレンチ、6 ゲート絶縁膜、7 ゲート電極、8 ソーストレンチ、9 層間絶縁膜、10 ソース電極、11 ソーストレンチマスク、12 コンタクト溝、13 ソース表面電極、14 ドレイン電極、15 フローティングp領域、20 ゲート接続溝、100,101,102 MOSFET。 1 substrate, 2 drift region, 3 channel p region, 4 source region, 5 gate trench, 6 gate insulating film, 7 gate electrode, 8 source trench, 9 interlayer insulating film, 10 source electrode, 11 source trench mask, 12 contact trench , 13 source surface electrode, 14 drain electrode, 15 floating p region, 20 gate connection groove, 100, 101, 102 MOSFET.
Claims (7)
前記n(p)型ドリフト領域の上面に形成されたp(n)型チャネル領域と、
前記p(n)型チャネル領域の上面に形成されたn(p)型ソース領域と、
前記ソース領域および前記p(n)型チャネル領域を貫き前記n(p)型ドリフト領域に達するゲートトレンチと、
前記ゲートトレンチの中にゲート絶縁膜を介して埋め込まれたゲート電極と、
少なくとも前記n(p)型ドリフト領域に達するソーストレンチと、
前記ソーストレンチの中に層間絶縁膜を介して埋め込まれたソース電極と、
を備え、
前記ソーストレンチは、前記ゲートトレンチと交差して配列されていることを特徴とするトレンチゲート型半導体装置。 An n (p) type drift region formed on the upper surface of an n (p) type semiconductor substrate having a drain electrode on the lower surface;
A p (n) type channel region formed on the upper surface of the n (p) type drift region;
An n (p) type source region formed on the upper surface of the p (n) type channel region;
A gate trench that penetrates the source region and the p (n) type channel region and reaches the n (p) type drift region;
A gate electrode embedded in the gate trench through a gate insulating film;
A source trench reaching at least the n (p) -type drift region;
A source electrode embedded in the source trench through an interlayer insulating film;
With
The trench gate type semiconductor device, wherein the source trenches are arranged to intersect with the gate trench.
前記ソース電極の底面は、前記ゲート絶縁膜の底面より下に位置することを特徴とするトレンチゲート型半導体装置。 The trench gate type semiconductor device according to claim 1,
The trench gate type semiconductor device, wherein a bottom surface of the source electrode is located below a bottom surface of the gate insulating film.
前記ソース電極の一部は、前記層間絶縁膜が取り去られた前記ソーストレンチ側壁の前記ソース領域およびp(n)型チャネル領域と電気的接続をすることを特徴とするトレンチゲート型半導体装置。 A trench gate type semiconductor device according to claim 1 or 2,
A part of the source electrode is electrically connected to the source region and the p (n) type channel region on the side wall of the source trench from which the interlayer insulating film is removed.
前記層間絶縁膜は、トレンチ底部での厚みが、前記トレンチ開口縁部での厚みより厚いことを特徴とするトレンチゲート型半導体装置。 A trench gate type semiconductor device according to any one of claims 1 to 3,
The trench gate type semiconductor device, wherein the interlayer insulating film is thicker at the bottom of the trench than at the edge of the trench opening.
前記ソーストレンチの間の前記ゲートトレンチ下であって、前記n(p)型ドリフト領域に、フローティングp(n)領域を備えることを特徴とするトレンチゲート型半導体装置。 A trench gate type semiconductor device according to any one of claims 1 to 4,
A trench gate type semiconductor device comprising a floating p (n) region in the n (p) type drift region below the gate trench between the source trenches.
少なくとも2つ以上の前記ゲートトレンチおよびゲート電極と、
少なくとも2つ以上の前記ソーストレンチおよびソース電極と、
を備え、
前記ゲート電極は、配線電極により相互に接続されていることを特徴とするトレンチゲート型半導体装置。 A trench gate type semiconductor device according to any one of claims 1 to 5,
At least two or more of said gate trenches and gate electrodes;
At least two or more of the source trenches and source electrodes;
With
The trench gate type semiconductor device, wherein the gate electrodes are connected to each other by wiring electrodes.
前記配線電極は、前記ソース領域および前記p(n)型チャネル領域を貫き前記n(p)型ドリフト領域に達する配線トレンチと、前記配線トレンチの中に配線トレンチ絶縁膜を介して埋め込まれた配線電極とを含むことを特徴とするトレンチゲート型半導体装置。
The trench gate type semiconductor device according to claim 6,
The wiring electrode includes a wiring trench that passes through the source region and the p (n) channel region and reaches the n (p) drift region, and a wiring embedded in the wiring trench via a wiring trench insulating film A trench gate type semiconductor device comprising an electrode.
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