JP5597963B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
この発明は、インバータ等の電力変換装置、あるいはRF(Radio Frequency,高周波)パワーアンプに用いられる絶縁ゲート型半導体装置である、高耐圧パワーMOSFET(金属−酸化膜−半導体構造の電界効果トランジスタ)、およびIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)に関する。 The present invention relates to a high voltage power MOSFET (field-effect transistor having a metal-oxide film-semiconductor structure), which is an insulated gate semiconductor device used for a power conversion device such as an inverter or an RF (Radio Frequency, high frequency) power amplifier, And IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
無線基地局向けのRFパワーアンプには、アンテナに供給する信号の電力を増幅するために半導体デバイスが用いられている。現在RFパワーアンプに用いられている半導体デバイスは、主に横型のMOSFET、すなわちLDMOS(Lateral Diffused MOS)である。LDMOSにはいくつかの特徴がある。1つ目の特徴は、ソース領域とドレイン領域がゲート電極に対して自己整合的(セルフアライン)に形成できることである。そのため、ゲート電極とソース領域、もしくはゲート電極とドレイン領域の重なり部分が少なくなり、この重なり部分の面積に起因した寄生容量であるゲート・ソース間容量(Cgs)、およびゲート・ドレイン間容量(Cgd)を小さくできる。このような寄生容量は、入力容量(Ciss)あるいは帰還容量(Crss)となり、MOSFETのスイッチング損失の増加の原因となる。よって、MOSFETの高周波動作においては、寄生容量を小さくすることが必要不可欠である。2つ目の特徴は、表面に形成されたソース領域が深いp型拡散層(通常、シンカーと呼ばれる)を介してチップの裏面に接続されることである。チップの裏面はパッケージの金属板上に接続される。パッケージの金属板がグランド電位である場合、このp型シンカーを用いれば、チップ表面のソースとパッケージのグランド電位の金属板を接続するワイヤーが不要になる。このためワイヤーの持つ寄生インダクタンス、または寄生抵抗によるMOSFETの増幅特性の悪化を防ぐことができる。 In an RF power amplifier for a radio base station, a semiconductor device is used to amplify the power of a signal supplied to an antenna. A semiconductor device currently used for an RF power amplifier is mainly a lateral MOSFET, that is, an LDMOS (Lateral Diffused MOS). LDMOS has several features. The first feature is that the source region and the drain region can be formed in a self-aligned manner (self-alignment) with respect to the gate electrode. Therefore, the overlapping portion between the gate electrode and the source region or between the gate electrode and the drain region is reduced, and the gate-source capacitance (Cgs) and the gate-drain capacitance (Cgd) which are parasitic capacitances due to the area of the overlapping portion. ) Can be reduced. Such a parasitic capacitance becomes an input capacitance (Ciss) or a feedback capacitance (Crss), and causes an increase in switching loss of the MOSFET. Therefore, it is indispensable to reduce the parasitic capacitance in the high frequency operation of the MOSFET. The second feature is that the source region formed on the surface is connected to the back surface of the chip via a deep p-type diffusion layer (usually called a sinker). The back side of the chip is connected on the metal plate of the package. When the package metal plate is at ground potential, if this p-type sinker is used, a wire connecting the source on the chip surface and the metal plate at the ground potential of the package becomes unnecessary. For this reason, deterioration of the amplification characteristics of the MOSFET due to the parasitic inductance or parasitic resistance of the wire can be prevented.
これらの特徴は、縦型のMOSFETであるVDMOS(Vertical Diffused MOS)と比較したときに顕著となる。つまりVDMOSの場合、チップの裏面側を広く占めるドレイン領域は、ゲート電極に対して自己整合的には形成されていない。そのため、ゲート電極とドレイン領域の重なり部分の面積が大きくなり、Cgdが増加する。また一般的にVDMOSは、チップの裏面にドレイン電極が形成される。このため、パッケージに固定する際には、ドレイン電位の金属板上にチップの裏面を接続する。パッケージ上の金属板がグランド電位である場合にはチップの裏面とグランドになる金属板の間に、熱伝導性の高い絶縁膜で絶縁を図る必要がある。またチップ表面のソース電極をパッケージのグランド電位の金属板に接続するために、ワイヤーによる結線を要する。このため、ワイヤー結線による寄生インダクタンス、寄生抵抗により増幅特性が悪くなる。 These characteristics become remarkable when compared with VDMOS (Vertical Diffused MOS) which is a vertical MOSFET. That is, in the case of VDMOS, the drain region that occupies the back side of the chip is not formed in a self-aligned manner with respect to the gate electrode. For this reason, the area of the overlapping portion between the gate electrode and the drain region increases, and Cgd increases. In general, in the VDMOS, a drain electrode is formed on the back surface of the chip. For this reason, when it fixes to a package, the back surface of a chip | tip is connected on the metal plate of drain electric potential. When the metal plate on the package is at the ground potential, it is necessary to insulate with an insulating film having high thermal conductivity between the back surface of the chip and the metal plate serving as the ground. In addition, in order to connect the source electrode on the chip surface to the metal plate having the ground potential of the package, connection with a wire is required. For this reason, amplification characteristics deteriorate due to parasitic inductance and parasitic resistance due to wire connection.
以上の理由から、RFパワーアンプのスイッチング素子としては、LDMOSが広く適用されている。
LDMOSは他にもさまざまな用途で利用されている。例えば電気リレーがある。電気リレーが複数個必要な装置の場合、これらの電気リレーとしてのLDMOSと該LDMOSを駆動・制御する回路とを、共に1つの半導体チップに形成することによりコストの削減がなされている。電気リレーは、低消費電力、発熱が少ないことによる装置の小型化という要求から、電流が流れている時の導通抵抗(オン抵抗)が低いことがLDMOSに必要とされる。
For the above reasons, LDMOS is widely applied as a switching element of an RF power amplifier.
LDMOS is used in various other applications. For example, there is an electric relay. In the case of a device that requires a plurality of electrical relays, the LDMOS as the electrical relay and the circuit for driving and controlling the LDMOS are both formed on one semiconductor chip, thereby reducing the cost. The electrical relay is required for the LDMOS to have a low conduction resistance (on-resistance) when a current is flowing, because of the demand for downsizing the device due to low power consumption and low heat generation.
一方VDMOSは、LDMOSよりも電流導通時の抵抗が低いというメリットがあるため、チップの小型化に向いている。前述のようにLDMOSでは、ソース電極とドレイン電極がいずれも表面に形成される。そのため、電流経路が表面から数μm程度の深さに限られることから、経路の断面積が小さくなり、結果として、導通時の電気抵抗が大きくなる。従ってLDMOSは、一般的に中・大電流用途(1アンペア以上)には適さない。しかしながらVDMOSは、ドレイン電極を半導体基板の裏面に設けて、電流経路をチップの深さ方向に沿う形としているため、導通時の電気抵抗を小さくでき、中・大電流用途(1アンペア以上)にも適用可能である。従って、VDMOSをRFパワーアンプに適用することができれば、装置の小型化が容易となる。さらには、この小型化によりゲート電極の長さが短くて済むため、LDMOSを用いる場合と比べてゲート抵抗が低くなり、ゲート抵抗による高周波特性の劣化が小さくできる。また電気リレーとして用いることができれば、適用装置の小型化が図れる。 On the other hand, VDMOS has a merit that resistance at the time of current conduction is lower than LDMOS, and is suitable for downsizing of a chip. As described above, in the LDMOS, both the source electrode and the drain electrode are formed on the surface. Therefore, since the current path is limited to a depth of about several μm from the surface, the cross-sectional area of the path is reduced, and as a result, the electrical resistance during conduction is increased. Therefore, LDMOS is generally not suitable for medium / high current applications (1 ampere or more). However, the VDMOS has a drain electrode provided on the back surface of the semiconductor substrate and the current path is formed along the depth direction of the chip. Therefore, the electrical resistance during conduction can be reduced, and it can be used for medium and large currents (1 ampere or more). Is also applicable. Therefore, if VDMOS can be applied to an RF power amplifier, the device can be easily downsized. Furthermore, since the length of the gate electrode can be shortened by this miniaturization, the gate resistance is lower than that in the case of using the LDMOS, and the deterioration of the high frequency characteristics due to the gate resistance can be reduced. Moreover, if it can be used as an electric relay, the application apparatus can be reduced in size.
しかし、このような適用装置をVDMOSで構成することを考えた場合、ドレイン電極が半導体チップの裏面にあるために、一般的にドレイン領域を選択的に形成することができない。そのため、複数のVDMOSを1つのチップの上に配置して、それぞれのVDMOSに対応したドレイン電極を設けることは不可能であり、高周波RFアンプや電気リレーにVDMOSを適用することは困難であった。 However, considering that such an applied device is composed of VDMOS, the drain region cannot generally be selectively formed because the drain electrode is on the back surface of the semiconductor chip. Therefore, it is impossible to dispose a plurality of VDMOSs on one chip and provide drain electrodes corresponding to the respective VDMOSs, and it is difficult to apply VDMOSs to high-frequency RF amplifiers and electric relays. .
高周波RFアンプや電気リレーの小型化を実現するためには、従来のような、チップ表面に選択的に形成されたソース電極とゲート電極、チップの裏面に全体的に形成されたドレイン電極というVDMOSの構造ではなく、チップ表面に選択的に形成されたドレイン電極とゲート電極、チップの裏面に全体的に形成されたソース電極という構造を採用しなければならない。以下、このような構造のVDMOSを、バックソース型VDMOSと呼ぶことにする。バックソース型VDMOSの構造は、過去にいくつかの提案がなされている。 In order to achieve miniaturization of high-frequency RF amplifiers and electrical relays, a conventional VDMOS called a source electrode and a gate electrode selectively formed on the chip surface, and a drain electrode formed entirely on the back surface of the chip. Instead of this structure, it is necessary to adopt a structure of a drain electrode and a gate electrode selectively formed on the chip surface and a source electrode formed entirely on the back surface of the chip. Hereinafter, the VDMOS having such a structure is referred to as a back source type VDMOS. Several proposals have been made in the past for the structure of the back source type VDMOS.
例えば図7−1、図7−2および図7−3に示す特許文献1には、以下の構造が開示されている。図7−1はバックソース型VDMOSの活性部に相当する断面図であり、ソース電極5およびn+ソース領域4が、半導体チップの裏面側(紙面の下側)に形成され、ドレイン電極9およびn+ドレイン領域8が同チップの表側に形成されている。前記n+ソース領域4に接するようにpベース領域28が形成され、さらにp-ベース領域29が前記pベース領域28に接するように形成されている。トレンチゲート1がゲート酸化膜3を介してトレンチの底部に設けられ、該トレンチ上部はPSG膜30が埋め込まれている。該PSG膜に対峙するトレンチ側壁にはn-ドリフト領域6が、ゲート電極1に対して自己整合的に形成されている。よって該ゲート電極1とn-ドリフト領域6は重ならず、ゲート・ドレイン間容量が小さくなる。さらに図7−2はドレイン電極9とベース・ソース短絡部31を示す平面図であるが、該活性部のドレイン電極9から離れて、ベース・ソース短絡部31が配置されている。このベース・ソース短絡部31の断面図を図7−3に示す。チップ表面から前記n+ソース領域4に達する溝が設けられ、該溝の内部には導電体を用いてベース・ソース短絡線34が埋め込まれている。従ってp-ベース領域29、pベース領域28およびn+ソース領域4が、該ベース・ソース短絡線34によって短絡している。
For example,
図8に示す特許文献2には、ゲート電極104の形成されたトレンチ100とは別に、底部にてソース領域92とベース領域95を電気的に接続する金属電極110が埋め込まれるトレンチ108を設けた断面構造が示されている。この電極110は、チップ表面の全体にわたって形成されているドリフト領域と接触しないようにトレンチ108の底部にのみ配置されており、トレンチ108の上部の残りの部分には絶縁体112が設けられている。また、n型ドリフト領域96はp型ベース領域95の上に積層されている。
In Patent Document 2 shown in FIG. 8, in addition to the
図9に示す特許文献3には、以下の断面構造が開示されている。チップ上面にドレイン電極75およびチップ下面にソース電極76が形成されている。n+ソース領域50の上にpベース領域51が形成され、さらに前記pベース領域51の上にはnドリフト領域が形成されている。該nドリフト領域の上にn+ドレイン領域52が形成され、前記ドレイン電極75と接している。チップ上面には、ゲート電極67用のトレンチ60と62およびベース・ソース短絡用のトレンチ61が形成されている。ゲート電極67の上部にあたるトレンチ内部は、前記nドリフト領域に接しており、且つ酸化膜69が埋め込まれている。一方ベース・ソース短絡用のトレンチ61の底部には、前記n+ソース領域50と前記pベース領域51を短絡するように導電層71が設けられており、前記導電層71は前記pベース領域51内の高さまで形成されている。前記導電層71の上部には、絶縁用酸化膜72がチップ上面まで埋め込まれている。
一般にMOSFETのベース領域とソース領域の短絡部は、MOSFETに寄生するドレイン領域‐ベース領域‐ソース領域のバイポーラトランジスタ(以下、寄生BJT)が動作しないようにするために設けられる。MOSFETがターンオフする際には、空間電荷領域がベース領域‐ソース領域間のpn接合から広がるため、変位電流となる正孔がソース電極に向かってp型ベース領域内を流れる。このときベース領域とソース領域が短絡していなければ、正孔は全てn型のソース領域に注入されるため、電子もp型のベース領域に注入される。ベース領域‐ドリフト領域間のpn接合は常に逆バイアス状態であるため、p型のベース領域に注入された電子は濃度が減衰しつつも、その一部は前記ベース領域‐ドリフト領域間のpn接合に形成された空間電荷領域に流れ込み、加速される。つまりMOSゲートを通過せずにドリフト領域に電子が流入するため、ゲート制御性が失われ、ラッチアップ状態となる。このラッチアップ状態の発生を防ぐために、ベース領域とソース領域が短絡される。 In general, a short circuit between a base region and a source region of a MOSFET is provided in order to prevent a bipolar transistor (hereinafter referred to as a parasitic BJT) in the drain region-base region-source region parasitic on the MOSFET from operating. When the MOSFET is turned off, the space charge region spreads from the pn junction between the base region and the source region, so that holes serving as a displacement current flow in the p-type base region toward the source electrode. At this time, if the base region and the source region are not short-circuited, all holes are injected into the n-type source region, so that electrons are also injected into the p-type base region. Since the pn junction between the base region and the drift region is always in a reverse bias state, the concentration of electrons injected into the p-type base region is attenuated, but a part of the pn junction is between the base region and the drift region. Then, it flows into the space charge region formed and is accelerated. That is, since electrons flow into the drift region without passing through the MOS gate, the gate controllability is lost and a latch-up state is established. In order to prevent the occurrence of this latch-up state, the base region and the source region are short-circuited.
しかしながら特許文献1に示された構造の場合、ベース領域とソース領域は、活性領域(MOSFETが形成されている領域であり、図7−2のドレイン電極9を透視したチップ内の領域)とは離れた領域31にて短絡されている。そのためターンオフ時に、該活性部において該短絡部31から最も遠いMOSFETの単位胞から流れる正孔は、該短絡部31に向かってpベース領域28の中を、極めて長い距離にわたって移動する。このとき、前記pベース領域28の抵抗により前記正孔の流れる経路に電圧降下が生じる。この電圧降下が、ベース領域とソース領域間のpn接合のビルトイン電圧を超えたとき、前述のラッチアップが発生する。すなわち、図7−2のように活性部から離れた部分でベース領域とソース領域が短絡する場合、その距離が長いと短絡の効果が無くなり、ターンオフ時の寄生BJTのラッチアップが容易に発生してしまう。
However, in the case of the structure shown in
一方、特許文献2および3に示された構造は、n型ドリフト領域がp型ベース領域の上に、チップ全面にわたって積層された構成である。そのためベース・ソース短絡用のトレンチ内部では、短絡用の導電体(アルミニウム等の金属)を堆積後に、n型ドリフト領域の厚さにわたって深く該導電体をエッチバックする必要がある。また、該導電体はn型ドリフト領域に接してはならない。なぜなら、該ドリフト領域を介してn型ソース領域とn型ドレイン領域を短絡することになるからである。そのために、該短絡用導電体の上面は、n型ソース領域とp型ベース領域とのpn接合の高さよりも高く、且つ該ベース領域とn型ドリフト領域とのpn接合の高さよりも下に設定されなければならない。さらに、ゲートがオフのときには、p型ベース領域とn型ドリフト領域とのpn接合から該p型ベース領域内部に広がる空乏層は、前記短絡用導電体に接してはならない。したがって該短絡用導電体の上面は、単にp型ベース領域の中にあればよいのではなく、上記空乏層の下端よりも該導電体の上面の方が低くならないといけない。よって、このような狭い範囲に該導電体の上面がくるように、前記金属のエッチバックを行わなければならない。もしチップの一部でわずかにエッチバック不良が発生すれば、n型ドリフト領域とn型ソース領域が短絡され、ドレイン電極とソース電極間の耐圧不良となる。したがって前記短絡用トレンチ内の導電体を形成するのは非常に複雑なものとなり、深いエッチバックを必要とする前記短絡用トレンチの形成は、極めて困難である。また該導電体とドレイン電極を絶縁するための絶縁体についても、チップ上面から深くエッチバックされた導電体の上面まで、埋め込みをしなければならず、より一層製造が複雑となる。
On the other hand, the structures shown in
本発明は以上の事情を鑑みてなされるもので、上述の課題の少なくとも一つを解決し、低損失で高周波動作の可能なバックソース型の半導体装置およびその製造方法を提供する。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and solves at least one of the above-described problems, and provides a back-source type semiconductor device capable of high-frequency operation with low loss and a method for manufacturing the same.
前記の目的を達成するため、本発明の構成は、以下のようになる。
(1)第1導電型ソース領域と、
前記ソース領域の下面と接続するソース電極と、
前記ソース領域の上面に隣接して設けられた第2導電型第1ベース領域と、
前記第1ベース領域の上面に隣接して設けられ、前記第1ベース領域よりも低濃度の第2導電型第2ベース領域と、
前記第2ベース領域の上面から該第2ベース領域および前記第1ベース領域を貫通し前記ソース領域内部に達する第1のトレンチと、
前記第1のトレンチの内側に設けられたゲート絶縁膜とを有し、
前記ゲート絶縁膜の内部にゲート電極が設けられ、該ゲート電極の上端部は前記第2ベース領域の内部にかかるような高さであり、
前記第1のトレンチの側壁と前記第2ベース領域の間に、前記第2ベース領域の上面部から前記第1のトレンチ側壁に沿って第1導電型ドリフト領域が設けられていて、該ドリフト領域の下端は前記ゲート電極の上端部よりも下部にかかり、
前記ゲート電極の上部に絶縁体が設けられていて、
該絶縁体上面は前記第2ベース領域の上面よりも深いとともに、前記絶縁体の上面と前記ゲート絶縁膜の上面は面一であり、
前記絶縁体の上面より上部の前記第1のトレンチ側壁が露出し、
前記第1のトレンチの側壁部分と前記ドリフト領域の間に前記ドリフト領域よりも高濃度の第1導電型ドレイン領域が前記第2ベース領域の上面部から前記第1のトレンチ側壁に沿って形成されていて、
該ドレイン領域の下端はトレンチ内の前記絶縁体の上端部よりも下部にかかり、
前記第2ベース領域の上面に設けられた第1の絶縁膜を有し、
前記第1のトレンチに並設され、前記第2ベース領域の上面から前記第2ベース領域と前記第1ベース領域を貫通して前記ソース領域内部に達し、且つ前記ドリフト領域とは離間する第2のトレンチを有し、
前記第2のトレンチの内部にて前記第1ベース領域と前記第2ベース領域の両方もしくはどちらか一方と前記ソース領域とを接続している導電体を有し、
前記導電体の上部に設けられている第2の絶縁膜を有し、
前記第1のトレンチ側壁の露出部で前記ドレイン領域と接し、前記第1絶縁膜の上面にかかり、前記絶縁体上面まで前記第1のトレンチに埋め込まれたドレイン電極を有することとする。
(2)上記(1)に記載の半導体装置において、前記ドレイン領域内の前記第1のトレンチの側壁部分に第2導電型コレクタ領域が形成されていると良い。
(3)上記(1)または(2)に記載の半導体装置において、前記ドリフト領域の拡散方向の積分濃度が8.0×1011/cm2以上1.2×1012/cm2以下であると良い。
(4)上記(1)乃至(3)のいずれかに記載の半導体装置において、前記ドリフト領域の下端から前記ソース領域に向かって前記第1および第2ベース領域の積分濃度が1.2×1012/cm2以上1.0×1014/cm2以下であると良い。
(5)上記(1)乃至(4)のいずれかに記載の半導体装置において、前記第2ベース領域は、前記第2ベース領域の上面から前記ソース領域に向かって濃度が増加しているとよい。
(6)上記(1)乃至(5)のいずれかに記載の半導体装置において、前記第1のトレンチがハニカム構造に配置されているとよい。
(7)上記(1)乃至(6)のいずれかに記載の半導体装置において、前記第2のトレンチの底部および前記ソース領域の上面に隣接して、前記第1ベース領域もしくは第2ベース領域よりも高濃度の第2導電型コンタクト領域が形成されているとよい。
In order to achieve the above object, the configuration of the present invention is as follows.
(1) a first conductivity type source region;
A source electrode connected to the lower surface of the source region;
A second conductivity type first base region provided adjacent to an upper surface of the source region;
A second conductivity type second base region provided adjacent to an upper surface of the first base region and having a lower concentration than the first base region;
A first trench that penetrates the second base region and the first base region from the upper surface of the second base region and reaches the inside of the source region;
A gate insulating film provided inside the first trench,
A gate electrode is provided inside the gate insulating film, and an upper end portion of the gate electrode has a height such that the gate electrode covers the second base region;
A first conductivity type drift region is provided between the sidewall of the first trench and the second base region from the upper surface portion of the second base region along the first trench sidewall , and the drift region Lower end of the gate electrode is lower than the upper end of the gate electrode,
An insulator is provided on the gate electrode,
The upper surface of the insulator is deeper than the upper surface of the second base region, and the upper surface of the insulator and the upper surface of the gate insulating film are flush with each other,
Exposing the first trench sidewall above the top surface of the insulator;
A first conductivity type drain region having a concentration higher than that of the drift region is formed between the sidewall portion of the first trench and the drift region along the first trench sidewall from the upper surface portion of the second base region. And
The lower end of the drain region extends below the upper end of the insulator in the trench,
Having a first insulating film provided on an upper surface of the second base region,
The second trench is arranged in parallel with the first trench, penetrates the second base region and the first base region from the upper surface of the second base region, reaches the inside of the source region, and is separated from the drift region. Having a trench,
It has a conductor which connects the both or either the source region of the first base region at the inside of the second trench and the second base region,
A second insulating film provided on an upper portion of the conductor,
Said first contact and said drain region in the exposed portion of the trench sidewall, having a first Ri written on the upper surface of the insulating film, the buried until insulator upper surface to said first trench drain electrodes Rukoto And
(2) In the semiconductor device described in (1) above, it is preferable that a second conductivity type collector region is formed in a sidewall portion of the first trench in the drain region.
(3) In the semiconductor device according to (1) or (2), the integrated concentration in the diffusion direction of the drift region is 8.0 × 10 11 / cm 2 or more and 1.2 × 10 12 / cm 2 or less. And good.
(4) In the semiconductor device according to any one of (1) to (3), an integrated concentration of the first and second base regions is 1.2 × 10 toward the source region from the lower end of the drift region. It is good that they are 12 / cm 2 or more and 1.0 × 10 14 / cm 2 or less.
(5) In the semiconductor device according to any one of (1) to (4), the concentration of the second base region may increase from the upper surface of the second base region toward the source region. .
(6) In the semiconductor device according to any one of (1) to (5), the first trench may be arranged in a honeycomb structure.
(7) In the semiconductor device according to any one of (1) to (6), the first base region or the second base region is adjacent to the bottom of the second trench and the top surface of the source region. It is preferable that a second conductivity type contact region having a high concentration be formed.
(8)上記(1)または(2)に記載の半導体装置において、前記第1ベース領域を前記第2のトレンチの側壁部分全体に形成し、前記第2のトレンチの側壁部分の前記第1ベース領域と前記ドリフト領域との間の距離をd1、前記ソース領域の上面と接する前記第1ベース領域と前記ドリフト領域との間の距離をd2としたとき、d1よりもd2を長くするとよい。 (8) In the semiconductor device according to (1) or (2), the first base region is formed over the entire sidewall portion of the second trench, and the first base in the sidewall portion of the second trench is formed. when d 1 the distance between the region and the drift region, the distance between the first base region in contact with the upper surface of the source region and the drift region and the d 2, longer d 2 than d 1 Good.
(9)上記(1)または(2)に記載の半導体装置において、前記ソース領域の下面と接続するソース電極に替えて半導体基板上の絶縁体とし、前記第2のトレンチ内部の導電体をソース電極に接続するとよい。
(10)上記(1)に記載の半導体装置において、前記第1のトレンチの側壁部分において、前記ドリフト領域内で前記ドレイン領域に接する第2導電型領域を設け、該第2導電型領域がグランド電位に接続されるとよい。
(9) In the semiconductor device described in (1) or (2) above, an insulator on the semiconductor substrate is used instead of the source electrode connected to the lower surface of the source region, and the conductor inside the second trench is the source. It may be connected to the electrode.
(10) In the semiconductor device according to (1), a second conductivity type region in contact with the drain region is provided in the drift region on a side wall portion of the first trench, and the second conductivity type region is grounded. It is preferable to be connected to a potential.
本発明の構造によれば、ドリフト領域とは離間する短絡用トレンチをゲート用トレンチと並設させることで、VDMOSのターンオフ時に正孔がp型ベース領域を流れるときの電圧降下が十分小さくなる。よって、寄生BJTのラッチアップを抑えることができる。また、n型ドリフト領域を前記ゲート用トレンチの側壁に形成することで、前記n型ドリフト領域の層をウェハーもしくはチップの全面に形成する必要が無い。その結果、短絡用トレンチ内部の導電体を深くエッチバックする必要が無くなる。しかも従来の構造における、該導電体の上面の高さに関する厳しい制約は、本発明の構造では必要としない。つまり、短絡用トレンチの側壁にて、該導電体を介してn型ソース領域とp型ベース領域が短絡されてさえいればよく、且つ該導電体がチップ上面部に形成されたドレイン電極に接していなければよい。その結果、製造が格段に容易となる。 According to the structure of the present invention, the voltage drop when holes flow in the p-type base region when the VDMOS is turned off is sufficiently small by arranging the short-circuit trench separated from the drift region in parallel with the gate trench. Therefore, latch-up of the parasitic BJT can be suppressed. Further, by forming the n-type drift region on the side wall of the gate trench, it is not necessary to form the layer of the n-type drift region on the entire surface of the wafer or chip. As a result, it becomes unnecessary to deeply etch back the conductor inside the short-circuiting trench. In addition, strict restrictions on the height of the upper surface of the conductor in the conventional structure are not required in the structure of the present invention. That is, it is only necessary that the n-type source region and the p-type base region are short-circuited through the conductor on the side wall of the short-circuit trench, and the conductor is in contact with the drain electrode formed on the upper surface portion of the chip. If not, it ’s good. As a result, manufacturing becomes much easier.
発明の実施の形態を以下の実施例で説明する。以下、第1導電型をn型、第2導電型をp型として説明するが、n型とp型を入れ替えても本発明は同様に実現できる。 Embodiments of the invention will be described in the following examples. Hereinafter, the first conductivity type will be described as n-type, and the second conductivity type will be described as p-type. However, the present invention can be similarly realized even if the n-type and p-type are interchanged.
図1は、本発明のバックソース型VDMOSの実施例1における要部断面図である。1.0E18 atoms/cm3以上の高濃度n型基板からなるn+ソース領域4が設けられており、前記n+ソース領域4の下面はソース電極5と接続している。ここで1.0E18とは、1.0×1018を意味する。前記n+ソース領域4の上面に隣接するように、第1p+ベース領域2aが設けられている。前記第1p+ベース領域2aの上面には、前記第1p+ベース領域2aよりも低濃度の第2p-ベース領域2bが隣接して設けられている。前記第2p-ベース領域2bの上面から前記n+ソース領域4まで貫通するように、第1のトレンチが紙面に対して垂直の方向にストライプ状に設けられ、前記第1のトレンチの内側にはゲート絶縁膜3が形成されている。前記ゲート絶縁膜3の内部にはポリシリコン等の導電体からなるゲート電極1が設けられている。該ゲート電極1の上端部は、前記第2p-ベース領域2bの内部にかかる高さに配置されている。前記第1のトレンチの側壁部分には、nドリフト領域6が形成されている。前記nドリフト領域6の下端は、前記第2p-ベース領域2bの上面から、前記ゲート電極の上端部よりも低い位置にかかる構成であり、且つ前記第1p+ベース領域2aからは離間している。前記ゲート電極1の上部には絶縁体7が設けられている。さらに、前記第1のトレンチの側壁部分と前記nドリフト領域6に挟まれるようにn+ドレイン領域8が形成されている。該n+ドレイン領域8の下端は、前記nドリフト領域6の下端よりも浅い。前記第2p-ベース領域2bの上面には、層間絶縁膜10が設けられている。第2のトレンチが前記第1のトレンチに並設されており、該第2のトレンチは前記第2p-ベース領域2bの上面から前記第2p-ベース領域2bと前記第1p+ベース領域2aおよび前記n+ソース領域4まで貫通し、且つ前記nドリフト領域6とは離間している。前記第2のトレンチの内部には、前記n+ソース領域4と前記第1p+ベース領域2aおよび前記第2p-ベース領域2bに接続するように、導電体12が埋め込まれている。そして前記導電体12の上部には絶縁体7が設けられている。前記層間絶縁膜10および前記絶縁体7の上面には、ドレイン電極9が形成されている。前記ドレイン電極9は、前記第1のトレンチの上部において前記n+ドレイン領域8と接しており、且つ前記第2のトレンチの中に形成された導電体12とは前記絶縁体7を介して離間している。
FIG. 1 is a cross-sectional view of an essential part in
MOSゲートの反転層チャネルは、ゲート電極1の電位を制御することにより、第2p-ベース領域2bおよび第1p+ベース領域2aのトレンチ側壁にゲート酸化膜3を介して、ゲート電極1と対向するように形成される。この第1p+ベース領域2aの不純物濃度分布は、表面のドレイン電極9から裏面のソース電極5に向かう方向に従って、徐々に高くなっている。p型のベース領域をこのような濃度分布にすることで、深さ方向に一様な濃度分布のp型ベース領域と比べて、チャネル抵抗が小さくなる。その結果、VDMOSのトランスコンダクタンスを高くすることができるので、オン抵抗を小さくすることができる。MOSゲートの閾値は第1p+ベース領域2aのネットドーピング濃度が最大となる点で決まる。また、第2p-ベース領域2bおよび第1p+ベース領域2aの濃度をnドリフト領域6の下端からn+ソース領域4に向かう深さ方向にわたって積分したときの積分濃度の値(ガンメル指数とも呼ぶ)は、オフ時に第2p-ベース領域2bおよび第1p+ベース領域2aの内部を広がる空乏層がn+ソ−ス領域4にパンチスルーしない値(1.2E12 atoms/cm2以上)に設定する。一方前記MOSゲートの閾値が高くなりすぎるとトランスコンダクタンスが低くなってしまうので注意が必要である。例えばゲート駆動電圧を±15Vとする場合、MOSゲートの閾値は5〜7Vにするとよく、この場合第1p+ベース領域2aの最大ネットドーピング濃度は2.0E16 atoms/cm3程度がよい。このとき、第2p-ベース領域2bおよび第1p+ベース領域2aについて、nドリフト領域6の下端からn+ソース領域4上面までの長さをおよそ2μmとすれば、前記積分濃度の値は1.0E14 atoms/cm2となるから、この値を超えないようにすればよい。
The inversion layer channel of the MOS gate is opposed to the
また、第2p-ベース領域2bの不純物濃度は十分低いため、低濃度のnドリフト領域6の濃度分布制御も容易にできる。ここで、第1p+ベース領域2aと第2p-ベース領域2bは、一続きの領域(つまり一つのpベース領域)でも構わなく、そのときの上述の積分濃度が上記値を満たしていればよい。
Further, since the impurity concentration of the second p − base region 2b is sufficiently low, the concentration distribution control of the low concentration
nドリフト領域6は、第1のトレンチの側壁から横方向に拡散するように設けられている。後述するようにnドリフト領域6は、例えばポリシリコンによるゲート電極1のエッチバック後にイオン注入をするため、このnドリフト領域6の下端は、前記ゲート電極1の上面に対して自己整合となる。よって、nドリフト領域6とポリシリコン(ゲート電極1)の両者が重なる部分の面積を十分小さくすることができるので、ゲート・ドレイン間容量(Cgd)を小さくできる。またnドリフト領域6の拡散深さ方向(紙面上の左右の方向)の不純物濃度の積分値が8.0E11/cm2以上1.2E12/cm2以下、望ましくは1.0E12/cm2であれば、いわゆるRESURF(Reduced Surface Electric Field、リサーフ)効果により、nドリフト領域6の単位体積あたりの不純物濃度を高くすることができ、nドリフト領域6の抵抗(ドリフト抵抗)を低くしつつ、同領域6の深さ方向の長さも小さくできるので、低いオン抵抗と高い耐圧の双方の両立を実現することができる。ここで該不純物濃度の積分値が8.0E11/cm2以下の場合、nドリフト領域6の濃度がおよそ1.0E15/cm3よりも小さい値となり、オン抵抗の低減効果がほとんど無くなってしまう。また同じく該不純物濃度の積分値が1.2E12/cm2以上では、オフ時にnドリフト領域6と第2p-ベース領域2bで形成される側壁に対し平行なpn接合における電界強度で耐圧が決まるようになり、耐圧が激減する。よってnドリフト領域6の拡散深さ方向の不純物濃度の積分値は、上述の8.0E11/cm2以上1.2E12/cm2以下が望ましい。
The
さらに実施例1では、ゲートがオフ状態において、該nドリフト領域6および第2p-ベース領域2bの内部に広がる空乏層の広がり方が、第1のトレンチの側壁近傍と第2p-ベース領域2bの上面(つまりチップ上面部)近傍とでは異なる。つまり、第1のトレンチの側壁近傍では、該側壁に対して垂直方向に広がる空乏層は、nドリフト領域6内部の方が第2p-ベース領域2bの内部よりも広く広がる。一方第2p-ベース領域2bの上面近傍では、該上面に対して平行に広がる空乏層は、第2p-ベース領域2bの内部の方がnドリフト領域6内部よりも広く広がる。理由は、前記nドリフト領域6について、ゲート電極1の上面に対して自己整合となるように、且つ第1のトレンチの側壁から横方向に拡散するように形成したためである。その結果、第2p-ベース領域2bの上面では、印加された電圧は、nドリフト領域6ではなく第2p-ベース領域2bの空乏層でサポートできる。したがってnドリフト領域6の濃度をさらに高くしても、高い耐圧を保持することが可能となり、且つnドリフト領域6の濃度を高くできるから、オン抵抗も低減することができる。
Further, in the first embodiment, when the gate is in the OFF state, the depletion layer extending inside the
ターンオフ時の寄生BJTのラッチアップを抑えるために、n+ソース領域4は、第2のトレンチに充填された導電体12にて、高い濃度の第1p+ベース領域2aおよび低濃度の第2p-ベース領域2bと電気的に短絡される。
In order to suppress the latch-up of the parasitic BJT at the time of turn-off, the n + source region 4 is composed of the high concentration first p + base region 2a and the low concentration second p − in the conductor 12 filled in the second trench. It is electrically short-circuited with the
ここで本発明の実施例1の特徴は、前記導電体12が、実施例2において後述するように、第1トレンチのゲート電極1およびその上面に接する絶縁体7を形成した後に設けられることである。本来この短絡用導電体12は、第1p+ベース領域2aまたは第2p-ベース領域2bの両方もしくはどちらか一方と、n+ソース領域4とを短絡することが目的だから、トレンチ底部にあればよい。しかし従来のバックソース型VDMOSでは、p型ベース領域の上面において、nドリフト領域6の層をチップもしくはウェハーの全面にわたり、耐圧保持に必要な分だけ厚く形成しなくてはならない。しかも前記短絡用導電体12は、nドリフト領域6と接してはならない。なぜなら第2p-ベース領域2bとnドリフト領域6間のpn接合は、オフ時にドレイン−ソース間に印加される電源電圧を保持しなければならないからである。よって前記短絡用導電体12の上面は、例えば図8の110もしくは図9の71のように、ドリフト領域の下端よりも低くせねばならず、第2のトレンチ内に充填した導電体(金属)をその深さまでエッチバックしなければならない。
Here, the first embodiment of the present invention is characterized in that the
これに対して本発明の実施例1では、nドリフト領域6は前述のように第1のトレンチ側壁部に形成するので、従来型のようにp型ベース領域の上部全面にわたってnドリフト領域6を形成する必要がなくなる。そのため、短絡用の第2のトレンチに充填する導電体12は、nドリフト領域6と接することなく、層間絶縁膜7および10にてドレイン電極9から離間することができる。以上から、大幅な工程数の削減をもって、短絡用の第2のトレンチを形成することが、本発明の構成の結果、可能となった。
On the other hand, in the first embodiment of the present invention, since the
また、第2のトレンチ内への導電体12の形成には、さまざまな形態が可能になる。例えば、導電体12はnドリフト領域6と接することがないから、実施例2において後述するように、ゲート電極1の上部に形成されている絶縁体7に対して、前記導電体12を該絶縁体7の上面と同じ高さまで充填することが可能である。この方法が、エッチバック量が少なくてよいので最も簡便に導電体12を形成できる方法であり、図1に示した第2トレンチと導電体12の構成となる。他にも、第2トレンチ内部の側壁に該第2トレンチの幅の半値よりも薄い厚さの金属(アルミニウム、窒化チタン、白金等)を形成し、残りの空隙を絶縁体もしくはポリシリコン(ドープされた導電性のものか、あるいはノンドープの高抵抗のもののどちらでもよい)で埋め込む方法による構成でも構わない。該金属は導電体12として、第1p+ベース領域2aと第2p-ベース領域2bの両方もしくはどちらか一方とn+ソース領域4とを短絡する機能を担えばよいから、前記第2トレンチの上端まで形成されていても良いし、上端まで達していなくても構わない。また、導電体12が第2トレンチの底部のみに埋め込まれ、第2トレンチ内部のほとんどが絶縁体7で満たされた形態でも構わない。いずれにしても、導電体12を介して、第1p+ベース領域2aと第2p-ベース領域2bの両方もしくはどちらか一方と、n+ソース領域4とが短絡されていれば良く、且つ導電体12がチップ完成時にドレイン電極9に接していなければ良い。
In addition, various forms are possible for forming the
また、第2のトレンチは、導電体12が充填できる幅があればよいので、第1のトレンチよりも狭い幅とすることができ、結果としてチップ自体の小型化に貢献できる。
Further, since the second trench only needs to have a width that can be filled with the
図2−1から図2−15の各製造工程での断面図を用いて、実施例2の半導体装置の製造方法を説明する。実施例2の実施例1との相違点は、第1のトレンチ底部に厚い酸化膜15を設けたことである。
A method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment will be described with reference to cross-sectional views at respective manufacturing steps shown in FIGS. The difference between the second embodiment and the first embodiment is that a
(図2−1)半導体基板としてn+ソース領域4となるn型シリコン基板を用いる。シリコン基板4には、CZウェハーもしくはFZウェハーといったバルク切り出しウェハーを用いる。ここで、前記ウェハー上面のVDMOSを形成しない領域には、制御回路や受動素子が同一工程もしくは別工程にて形成される。前記ウェハー上面に、第1p+ベース領域2aと、続いて第2p-ベース領域2bを、エピタキシャル成長により形成する。このとき第1p+ベース領域2aの不純物ドーピング濃度の分布は一様でも構わないが、前述のように第2p-ベース領域2bの上面からn+ソース領域4に向かって徐々に増加するような分布であるとよい。
(FIG. 2-1) An n-type silicon substrate used as the n + source region 4 is used as a semiconductor substrate. As the
(図2−2)次にウェハー表面(第2p-ベース領域2bの上面)に熱酸化膜10を形成する。その後パターニングを行い、前記熱酸化膜10の一部を開口する。続いて、シリコンの異方性エッチングを行い、前記開口部に第1のトレンチ14を形成する。その後周知の犠牲酸化等を行い、トレンチ14の側壁に残留しているエッチングダメージを除去する。前記第1のトレンチ14の深さは、第1のトレンチ14の底部がn+ソース領域4の内部に至るように設定する。
(FIG. 2-2) Next, a
(図2−3)次にトレンチ14の底部にのみ厚い酸化膜15を形成する。この厚い酸化膜15は、周知のLOCOS(Local Oxidation of Silicon)による熱酸化膜でもよいし、CVD(Chemical Vapor Deposition)により成膜された酸化膜でもよい。このような厚い酸化膜を形成することにより、ゲート・ソース間容量Cgsを小さくできる。その後、トレンチの内壁の全体にわたってゲート酸化膜3が形成される。このゲート酸化膜についても、熱酸化膜でもよいし、堆積による膜でもかまわない。
(FIG. 2-3) Next, a
(図2−4)次にトレンチ14内にゲート電極1となるポリシリコン16を堆積し、トレンチ14の内部をポリシリコン16にて埋め込む。
(図2−5)続いてトレンチ14内のポリシリコン16を、所望の深さとなるまでエッチバックする。この深さは、後に形成するnドリフト領域6の深さ程度となる。このとき、ウェハー表面に堆積していたポリシリコンは除去される。
(FIG. 2-4) Next,
(FIG. 2-5) Subsequently, the
(図2−6)次にnドリフト領域6を、第1のトレンチ内壁にあるポリシリコンのゲート電極1に対して自己整合となるように形成する。具体的には以下のように形成する。表面から第1のトレンチの内壁に対して角度を持たせて、リン等のイオン注入36を行う。この段階で、第1のトレンチの側壁部分の表面側(紙面上側)から、同部分のポリシリコンが埋め込まれているゲート電極1の上面までの範囲にリンイオンが注入される。イオン注入時の加速エネルギーは、注入されたリンイオンがゲート酸化膜3を突き抜けて、熱酸化膜1内でとまる程度の値とする。そして、例えば1000℃〜1050℃程度の温度、および数秒〜30分程度の時間で熱処理を行うことで、nドリフト領域6が形成される。図10−1に、実施例2の第1のトレンチの部分断面を拡大して表示する。ただし、第1p+ベース領域2aとn+ソース領域4については記載を省略している。このように処理をすることで、nドリフト領域6において、ウェハー表面に平行な向きの幅は、前記イオン注入36と熱処理によるリンの拡散深さとなり、0.5〜1.0μm程度となる。その結果、nドリフト領域6の下端が第1のトレンチ内のポリシリコン(ゲート電極1)の深さに達して且つ重なる部分(図10−1における重なり部分37)の深さは、nドリフト領域6の横方向拡散(チップの表面から裏面に向かう方向)の拡散深さ以下であり、前記リンの拡散深さの80%程度(0.4〜0.8μm)となる。
(FIG. 2-6) Next, the
また図10−2(a)は、従来例のトレンチ14を拡大した断面図である。さらに図10−2(b)では、同図(a)に対応した深さ方向のネットドーピング濃度分布を示している。例えばこの従来例のように、表面からのイオン注入および熱拡散もしくはエピタキシャル成長法を用いてnドリフト領域6を形成する場合、nドリフト領域6の下端が前記トレンチ14のポリシリコン(ゲート電極1)の深さに達して、さらに前記ポリシリコンの上端と重なる部分37ができるようにする。このとき、nドリフト領域6に向かって低い抵抗で第1pベース領域2bのトレンチ側壁に形成される反転層チャネルから電子が供給されるには、前記重なり部分37の最大のネットドーピング濃度は、例えば1.0E14/cm3以上の濃度が必要となる。nドリフト領域6は、例えば濃度が5.0E14/cm3で拡散深さを2μmとすると、前記第1のトレンチ14の前記ポリシリコンの深さに達して重なる部分37は、余裕を見て1.0〜1.5μm程度の深さが必要となり、図10−1に示す場合に比べて重なり部分37は長くせざるを得ない。したがって、実施例2の場合、重なり部分37の長さ(チップでは面積)は、従来の構造に比べて、50%前後まで小さくすることができる。その結果、ゲート・ドレイン間容量(Cgd)を50%程度小さくできる。
FIG. 10-2 (a) is an enlarged cross-sectional view of a
(図2−7)続いて絶縁体となる材料、例えばBPSG膜を、ポリシリコン(ゲート電極1)の上部の空隙が埋まるように堆積する。
(図2−8)その後、レジストを塗布し、層間絶縁膜10にレジストが残るように露光・現像によりパターニングし、絶縁体7をエッチングする。ここで、エッチングによる絶縁膜上端面の仕上がり深さは概ね、後に形成するn+ドレイン領域8の下端の深さとなる。そしてレジストを除去する。
(FIG. 2-7) Subsequently, a material to be an insulator, for example, a BPSG film is deposited so as to fill a gap above the polysilicon (gate electrode 1).
(FIG. 2-8) Thereafter, a resist is applied, patterning is performed by exposure and development so that the resist remains in the
(図2−9)次にn+ドレイン領域8を、前述の絶縁体7の上面に対して自己整合となるように形成する。具体的には以下のように形成する。表面から第1のトレンチの内壁に対して角度を持たせて、リン等のイオン注入36を行う。この段階で、第1のトレンチの側壁部分の表面側(紙面上側)から、前述の絶縁体7の上面までの範囲にリンイオンが注入される。そして、例えば950℃〜1000℃程度の温度、および数秒〜30分程度の時間で熱処理を行うことで、前記n+ドレイン領域8が形成される。
(FIG. 2-9) Next, the n + drain region 8 is formed so as to be self-aligned with the upper surface of the
(図2−10)次に第2p-ベース領域2bの上面にある熱酸化膜10に対してパターニングを行い、エッチングにより前記熱酸化膜10の一部に開口部26を形成する。
(図2−11)続いて、シリコンの異方性エッチングを行い、前記開口部26に第2のトレンチ35を形成する。その後周知の犠牲酸化もしくは900℃〜1000℃程度の熱処理を行い、第2のトレンチ35の側壁に残留しているエッチングダメージを除去してもよい。前記第2のトレンチ35の深さは、同トレンチの底部がn+ソース領域4の内部に至るように設定する。
(FIG. 2-10) Next, the
(FIG. 2-11) Subsequently, anisotropic etching of silicon is performed to form a
(図2−12)続いて、導電体12(例えばアルミニウムもしくはその合金、窒化チタンもしくは白金等の高融点金属、あるいは高濃度のn型もしくはp型にドープされたポリシリコン)を第2のトレンチ35に充填させる。 (FIG. 2-12) Subsequently, the conductor 12 (for example, aluminum or its alloy, refractory metal such as titanium nitride or platinum, or polysilicon doped in high concentration n-type or p-type) is formed in the second trench. 35 is filled.
(図2−13)続いて、前記導電体12をエッチバックする。このときのエッチバック量は、導電体12が第1のトレンチ14内にある絶縁体7の上面および熱酸化膜10の表面に残らない程度であればよい。
(FIG. 2-13) Subsequently, the
(図2−14)次にウェハー表面に、層間絶縁膜として、例えばシリコン窒化膜7を堆積し、第2トレンチ35の上部のみに前記シリコン窒化膜7が残るように、パターニングによりシリコン窒化膜7をエッチングする。そしてウェハー表面にアルミニウムを主成分とする導電体を堆積し、パターニングおよびエッチングによりドレイン電極9を形成する。
(図2−15)最後にウェハーの裏面にあたるn+ソース領域4の下面に、アルミニウム、チタン、ニッケル、金などの堆積によりソース電極5を形成する。
(FIG. 2-14) Next, for example, a
(FIG. 2-15) Finally, the
図3は、本発明の実施例3の半導体装置を示す断面図である。実施例1との相違点は、nドリフト領域6内部において、第1のトレンチの側壁側に、グランド電位に接続されたp型領域11が配置されていることである。このp型領域11をグランド電位に接続するためには、トレンチ内のゲート電極1上に絶縁物7を介してグランドに接続された導電体12が配置され、この導電体12とp型領域11を接続する。導電体12の上には、ドレイン電極9とこの導電体12を絶縁するための絶縁体7が配置される。このp型領域11があることによって、電圧保持時に空乏層がnドリフト領域6に対して2方向から広がることになる。つまり、nドリフト領域6と第1pベース領域2bで形成されるpn接合と、nドリフト領域6と前記p型領域11で形成されるpn接合の2つの接合から空乏層が広がる。この両方のpn接合におけるRESURF効果により、nドリフト領域6の不純物濃度をさらに高濃度にすることができ、オン抵抗の一層の低減を得る。これは一般にダブルRESURF構造といわれている。
FIG. 3 is a sectional view showing a semiconductor device according to Example 3 of the present invention. The difference from the first embodiment is that a p-
図4−1は、本発明の実施例4の半導体装置を示す断面図である。実施例4のバックソース型VDMOSの実施例1との相違点は、実施例4が半導体基板19上に絶縁体18を備えたSOI(Silicon on Insulator)基板の上面にソース領域が形成されていることである。この場合、ソース電極用の端子(ソースパッド)はチップの表面に形成する。図4−2は、実施例4の半導体装置をチップ上面から見たときの平面図である。図4−2の中に記載されている位置A1から位置A2までの線に沿って切り出したときの断面図が、図4−1に対応している。ドレインパッド22の部分は、図4−1のVDMOS部に相当する。該VDMOS部の上面に形成されたアルミニウム等のドレイン電極9が、ドレインパッド22とつながっている。ゲートパッド21はアルミニウム等の導電体で構成されており、前記のポリシリコン等により形成されたゲート電極1と、前記第1のトレンチの端部にて接続している。ソースパッド23も同様にアルミニウム等の導電体で構成されている。VDMOS部のソース電極は、前記第2のトレンチに充填されたアルミニウム等の導電体が、該第2のトレンチ35の端部(ゲートパッド21とは反対側)にて、前記ソースパッド23の導電体と接続されている。図4−2に記載されたVDMOSを一式として、該VDMOS部を前記SOI基板上にいくつか配置し、それぞれの該VDMOS領域を公知の誘電体分離もしくは接合分離等で絶縁する。こうすることで、ソース電極4の電位が相対的に高くなるような状態、いわゆるハイサイドでもVDMOSを使用することが可能となる。
FIG. 4A is a cross-sectional view illustrating the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. The difference between the back source type VDMOS of the fourth embodiment and the first embodiment is that the source region is formed on the upper surface of an SOI (Silicon on Insulator) substrate in which the
図5は、本発明の実施例5の半導体装置を示す断面図である。実施例1との相違点は、第1p+ベース領域2aが、n+ソース領域4の上面の他に、第2のトレンチの側壁に沿って形成されていることである。前記第2のトレンチの側壁部分の第1p+ベース領域2aとnドリフト領域6までの間隔をd1、n+ソース領域4の上面と接する第1p+ベース領域2aとドリフト領域までの間隔をd2としたとき、d1よりもd2を長くする。よって、耐圧に相当する電圧がドレイン−ソース電極間に印加されたときに発生するアバランシェ降伏が、d1の方向に広がった空乏層から先に生じる。アバランシェ電圧降伏のときにインパクトイオン化によって生じたホールは、第2のトレンチ側壁部分の第1p+ベース領域2aを介して第2のトレンチ内部に形成された導電体12に流れこむ。したがって、第1p+ベース領域2aとn+ソース領域4で形成されるpn接合の周辺にはアバランシェ降伏によってホールは発生しない。すなわち、このようにd1よりもd2を長く設定することで、アバランシェ降伏により発生したホール電流による、低濃度の第2p-ベース領域を含む寄生BJT部分でラッチアップの発生を抑えることが可能となる。
FIG. 5 is a sectional view showing a semiconductor device according to Example 5 of the present invention. The difference from the first embodiment is that the first p + base region 2 a is formed along the side wall of the second trench in addition to the upper surface of the n + source region 4. The distance between the first p + base region 2a and the
さらに、第2のトレンチの側壁の第1p+ベース領域2aがあることで、オフ状態で第2p-ベース領域2b内を広がる空乏層が第2のトレンチ内に形成された導電体12に達するパンチスルー状態を防ぐことができる。その結果、第1のトレンチと第2のトレンチ間の距離を狭くすることが可能となり、単位胞(チップ上面における繰り返しパターンの基本要素)のピッチを小さくすることができるので、オン抵抗がさらに低減できる。
Further, since there is the first p + base region 2a on the side wall of the second trench, a depletion layer extending in the second p − base region 2b in the off state reaches the
図12−1に、実施例6に関する上部平面図を示す。実施例1との相違点は、第1のトレンチ14および第2のトレンチ35のチップ上面における分布形態が、ストライプ状ではなく、ドットパターン状となっていることである。この図12中における位置A1からA2にわたって断面を切ったときの断面図が、図6に相当する。例えば第1のトレンチ14をこの図12−1のように円形とするか、もしくは図12−2のように多角形もしくは円形のリング状(あるいはドーナッツ状ともいう)の形状とし、第2のトレンチ35を円形として、上記第1のトレンチおよび第2のトレンチを、チップ上面に三角格子状に配置する。図12−1における単位胞は、該図中の太い破線で囲む部分27である。この図12−1のように単位胞を配置すると、単位胞27における第2のトレンチの面積の割合は10%以下となり、ラッチアップ耐量を損なわずに、極めて低いオン抵抗を達成することが可能となる。また図13のように、第1のトレンチの配置形状をハニカム構造にすることで、図12−1の構造に必要なチップ上面のゲートランナーを配置する必要がなくなる。つまり図12−1では、各々の第1のトレンチに埋め込んでいるゲート電極1を該第1のトレンチ間でつないで、例えば図4−2に示すようなゲートパッドに接続する場合には、チップ上面に別途ポリシリコン層を形成してそれぞれの第1のトレンチ内のゲート電極1を相互につなぐ構造、いわゆるゲートランナーが必要となる。しかし図13に示すように第1のトレンチの配置形状をハニカム構造にすれば、第1のトレンチおよびその内部のゲート電極1は、全てチップ上にてつながることができるので、前記ゲートランナーは不要となる。よって、より簡便な設計で図12−1と同様の効果を奏することが可能である。また、実施例1と同様に、第2のトレンチの幅を第1のトレンチよりも狭くしても構わない。
FIG. 12A is a top plan view of the sixth embodiment. The difference from the first embodiment is that the distribution pattern on the chip upper surface of the
図11は、本発明の実施例7の半導体装置を示す断面図である。実施例1との相違点は、本実施例7がIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)の構造を有することである。つまりドレイン電極9をコレクタ電極41、ソース電極5をエミッタ電極42およびn+ソース領域4をn+エミッタ領域40と置き換えて、コレクタ電極41とn+ドレイン領域8の間に該n+ドレイン領域8よりも高濃度のp+コレクタ領域38を設けて、該n+ドレイン領域8をn+バッファ領域39とする。このp+コレクタ領域38を設けることで、周知のIGBTと同じ動作原理により、ゲート電極1がオンのときにp+コレクタ領域38から少数キャリアであるホールがnドリフト領域6に注入されるので、伝導度が変調してさらに低いオン抵抗(IGBTとしてはオン電圧)を達成することが可能となる。さらにn+バッファ領域39の一部をコレクタ電極41と短絡させれば、逆導通IGBTとすることも可能である。
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to Example 7 of the present invention. The difference from the first embodiment is that the seventh embodiment has an IGBT (insulated gate bipolar transistor) structure. That is, the
図14−1、図14−2および図14−3は、本発明の実施例8の半導体装置、および該実施例8の製造工程において前記実施例2の製造工程と異なる部分の工程を示す断面図である。実施例2との相違点は、第2のトレンチ35のトレンチエッチングを2回に分けて、1回目のエッチングと2回目のエッチングの間に、第2トレンチ35の底部にボロン(B+もしくはBF2 +)をイオン注入しアニールを行う(図14−1)ことで、第2トレンチ35の底部近傍にp+コンタクト領域44を形成することである。実施例1にて述べたように、第1p+ベース領域2aもしくは第2p-ベース領域2bの積分濃度および最大濃度には上限がある。そのため、第1p+ベース領域2aもしくは第2p-ベース領域2bとn+ソース領域4を第2トレンチ内の導電体12によって短絡する際に、導電体12とのコンタクト抵抗が高めになる場合がある。そこで、第1p+ベース領域2aもしくは第2p-ベース領域2bよりも高濃度のp+コンタクト領域44を、第2のトレンチの底部よりも浅くなる程度に形成する。工程としては、まず1回目の第2のトレンチ35のトレンチエッチングをn+ソース領域4の若干上部で止める。そしてボロン(B+もしくはBF2 +)を傾斜角0度にてイオン注入しアニールを行い、p+コンタクト領域44を形成する(図14−1)。ここで注入角に傾斜をつけると、既に形成したn+ドレイン領域8にボロンが注入されて、n+ドレイン領域8が補償されてしまうので注意が必要である。その後、再度第2のトレンチ35のトレンチエッチングを行い、第2のトレンチ35の底部がn+ソース領域4に達し、且つp+コンタクト領域44よりも深くなるようにエッチングする(図14−2)。後は実施例2と同じ工程を行い、VDMOSを完成させる(図14−3)。このようにp+コンタクト領域44を形成することで、MOSゲートの閾値を増加させることなく、該コンタクト抵抗を十分低くすることが可能になる。
14-1, 14-2, and 14-3 are cross-sectional views showing the steps of the semiconductor device of Example 8 of the present invention and the part of the manufacturing process of Example 8 that is different from the manufacturing process of Example 2 described above. FIG. The difference from the second embodiment is that the trench etching of the
またこの構成を実施例7のIGBTに適用してもよい。IGBTの場合は、ターンオフ時に多数キャリアとしてのホールが第1p+ベース領域2aもしくは第2p-ベース領域2bを流れる。このときのホール電流は、MOSFETのターンオフ時における変位電流よりも数倍以上大きく、周知の寄生サイリスタのラッチアップが容易に発生する可能性がある。そこで上記のようなp+コンタクト領域44を形成すれば、ホールの電流経路における電圧降下を小さくすることができるので、ラッチアップの抑制効果が顕著になる。 Further, this configuration may be applied to the IGBT of the seventh embodiment. In the case of an IGBT, holes as majority carriers flow through the first p + base region 2a or the second p − base region 2b during turn-off. At this time, the hole current is several times larger than the displacement current at the time of turn-off of the MOSFET, and there is a possibility that the well-known parasitic thyristor is easily latched up. Therefore, if the p + contact region 44 as described above is formed, the voltage drop in the hole current path can be reduced, and the effect of suppressing latch-up becomes significant.
本発明の半導体装置であるバックソース型VDMOSFETを用いて、制御回路や受動素子と共に1つのチップ上に形成することにより、従来よりも小型で高効率のRFパワーアンプ向けRFIC(Integrated Circuit)、さらには電気リレーとして用いられるMOSFETを複数個備え、かつ制御回路と共に1つのチップ上に形成したICなどを提供することが可能となる。 By using a back source type VDMOSFET which is a semiconductor device of the present invention and forming it on one chip together with a control circuit and a passive element, an RFIC (Integrated Circuit) for RF power amplifier which is smaller and more efficient than conventional ones, and Is provided with a plurality of MOSFETs used as electrical relays, and an IC formed on a single chip together with a control circuit can be provided.
1 ゲート電極
2a 第1p+ベース領域
2b 第2p-ベース領域
3 ゲート酸化膜
4 n+ソース領域
5 ソース電極
6 nドリフト領域
7 絶縁体
8 n+ドレイン領域
9 ドレイン電極
10 層間絶縁膜
11 p型領域
12 導電体
14 第1のトレンチ
15 厚い酸化膜
16 ポリシリコン
21 ゲート電極用パッド
22 ドレイン電極用パッド
23 ソース電極用パッド
24 パッド開口部
26 開口部
27 単位胞
35 第2のトレンチ
36 イオン注入
37 重なり部分
38 p+コレクタ領域
39 n+バッファ領域
40 n+エミッタ領域
41 コレクタ電極
42 エミッタ電極
43 三角格子線
44 p+コンタクト領域
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記ソース領域の下面と接続するソース電極と、
前記ソース領域の上面に隣接して設けられた第2導電型第1ベース領域と、
前記第1ベース領域の上面に隣接して設けられ、前記第1ベース領域よりも低濃度の第2導電型第2ベース領域と、
前記第2ベース領域の上面から該第2ベース領域および前記第1ベース領域を貫通し前記ソース領域内部に達する第1のトレンチと、
前記第1のトレンチの内側に設けられたゲート絶縁膜とを有し、
前記ゲート絶縁膜の内部にゲート電極が設けられ、該ゲート電極の上端部は前記第2ベース領域の内部にかかるような高さであり、
前記第1のトレンチの側壁と前記第2ベース領域の間に、前記第2ベース領域の上面部から前記第1のトレンチ側壁に沿って第1導電型ドリフト領域が設けられていて、該ドリフト領域の下端は前記ゲート電極の上端部よりも下部にかかり、
前記ゲート電極の上部に絶縁体が設けられていて、
該絶縁体上面は前記第2ベース領域の上面よりも深いとともに、前記絶縁体の上面と前記ゲート絶縁膜の上面は面一であり、
前記絶縁体の上面より上部の前記第1のトレンチ側壁が露出し、
前記第1のトレンチの側壁部分と前記ドリフト領域の間に前記ドリフト領域よりも高濃度の第1導電型ドレイン領域が前記第2ベース領域の上面部から前記第1のトレンチ側壁に沿って形成されていて、
該ドレイン領域の下端はトレンチ内の前記絶縁体の上端部よりも下部にかかり、
前記第2ベース領域の上面に設けられた第1の絶縁膜を有し、
前記第1のトレンチに並設され、前記第2ベース領域の上面から前記第2ベース領域と前記第1ベース領域を貫通して前記ソース領域内部に達し、且つ前記ドリフト領域とは離間する第2のトレンチを有し、
前記第2のトレンチの内部にて前記第1ベース領域と前記第2ベース領域の両方もしくはどちらか一方と前記ソース領域とを接続している導電体を有し、
前記導電体の上部に設けられている第2の絶縁膜を有し、
前記第1のトレンチ側壁の露出部で前記ドレイン領域と接し、前記第1の絶縁膜の上面にかかり、前記絶縁体上面まで前記第1のトレンチに埋め込まれたドレイン電極を有し、
前記第1の絶縁膜は前記第2ベース領域と前記ドレイン電極に挟まれていることを特徴とする半導体装置。 A first conductivity type source region;
A source electrode connected to the lower surface of the source region;
A second conductivity type first base region provided adjacent to an upper surface of the source region;
A second conductivity type second base region provided adjacent to an upper surface of the first base region and having a lower concentration than the first base region;
A first trench that penetrates the second base region and the first base region from the upper surface of the second base region and reaches the inside of the source region;
A gate insulating film provided inside the first trench,
A gate electrode is provided inside the gate insulating film, and an upper end portion of the gate electrode has a height such that the gate electrode covers the second base region;
A first conductivity type drift region is provided between the sidewall of the first trench and the second base region from the upper surface portion of the second base region along the first trench sidewall , and the drift region Lower end of the gate electrode is lower than the upper end of the gate electrode,
An insulator is provided on the gate electrode,
The upper surface of the insulator is deeper than the upper surface of the second base region, and the upper surface of the insulator and the upper surface of the gate insulating film are flush with each other,
Exposing the first trench sidewall above the top surface of the insulator;
A first conductivity type drain region having a concentration higher than that of the drift region is formed between the sidewall portion of the first trench and the drift region along the first trench sidewall from the upper surface portion of the second base region. And
The lower end of the drain region extends below the upper end of the insulator in the trench,
Having a first insulating film provided on an upper surface of the second base region,
The second trench is arranged in parallel with the first trench, penetrates the second base region and the first base region from the upper surface of the second base region, reaches the inside of the source region, and is separated from the drift region. Having a trench,
It has a conductor which connects the both or either the source region of the first base region at the inside of the second trench and the second base region,
A second insulating film provided on an upper portion of the conductor,
The first at the exposed portion of the trench sidewall in contact with the drain region, Ri written on the upper surface of the first insulating film, a drain electrode embedded in the first trench to the insulator upper surface,
The first insulating film is a semiconductor device which is characterized that you have been sandwiched between the drain electrode and the second base region.
前記第2ベース領域は、前記第2ベース領域の上面から前記ソース領域に向かって濃度が増加していることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 4,
The concentration of the second base region increases from the upper surface of the second base region toward the source region.
前記第1のトレンチがハニカム構造に配置されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 5,
A semiconductor device, wherein the first trench is arranged in a honeycomb structure.
前記第2のトレンチの底部および前記ソース領域の上面に隣接して、前記第1ベース領域もしくは第2ベース領域よりも高濃度の第2導電型コンタクト領域が形成されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 6,
A semiconductor having a second conductivity type contact region having a higher concentration than the first base region or the second base region formed adjacent to the bottom of the second trench and the upper surface of the source region. apparatus.
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