JP6257525B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置に関するものである。
従来、高耐圧LDMOS(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)が用いられている。たとえば、論文「Theory of Semiconductor Superjunction Devices」(非特許文献1)には、トレンチゲート構造を有する高耐圧LDMOSが開示されている。この高耐圧LDMOSは、いわゆるダブルリサーフ(Double Resurf)構造を有している。
また、特開平11−307763号公報(特許文献1)には、バックゲート領域構造を有する高耐圧MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)が開示されている。この高耐圧MOSFETでは、平面視においてソース領域がゲート電極を挟んでドレイン領域と対向するように配置されている。そして、そのソース領域のゲート電極に面しない3方がバックゲート領域で囲われた構成が開示されている。
Tatsuhiko Fujihira, "Theory of Semiconductor Superjunction Devices", JJAP, Vol.36(1997), pp.6254−6262
上記論文に開示されたトレンチゲート構造を有する高耐圧LDMOSでは、大電流動作時にp型ボディ領域のチャネル近傍の電位が上昇することによって寄生バイポーラ動作が生じる。このため、オン耐圧が低いという問題がある。
また、上記公報に開示された高耐圧MOSFETでは、バックゲート領域はソース領域に対してドレイン領域と反対側に配置されている。このため、バックゲート領域によってp型ボディ領域の電位上昇を十分に低減できないため、寄生バイポーラ動作により、オン耐圧が低いという問題がある。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
一実施の形態の半導体装置においては、バックゲート領域は、主表面において第1の不純物領域の第1および第2の部分の間に配置され、かつ第1の不純物領域に対して第2の不純物領域側に配置されている。
一実施の形態の半導体装置によれば、オン耐圧を向上することができる。
以下、本実施の形態について図に基づいて説明する。
(実施の形態1)
図1〜図3を参照して、本実施の形態の半導体装置は、たとえばLDMOSトランジスタ部(横型の絶縁ゲート型電界効果トランジスタ部)を有している。なお、本実施の形態の半導体装置では、一例として、いわゆるダブルリサーフ構造を有した構成について説明する。
(実施の形態1)
図1〜図3を参照して、本実施の形態の半導体装置は、たとえばLDMOSトランジスタ部(横型の絶縁ゲート型電界効果トランジスタ部)を有している。なお、本実施の形態の半導体装置では、一例として、いわゆるダブルリサーフ構造を有した構成について説明する。
この半導体装置は、半導体基板SUBと、分離絶縁膜SPRと、トレンチゲート電極(ゲート電極)TGEとを主に有している。半導体基板SUBに、n-ドリフト領域(ドリフト領域)NDRと、p-リサーフ領域(第1のリサーフ領域)RSF1と、p-ボディ領域GBLと、n+ソース領域(ソースとなる第1導電型の第1の不純物領域)SR、p+バックゲート領域(第2導電型のバックゲート領域)PBG、n+ドレイン領域(ドレインとなる第1導電型の第2の不純物領域)DRおよびn型ウェル領域NWLが形成されている。
半導体基板SUBは、たとえばp型不純物を含むシリコンからなるp-基板領域SBを有している。また、半導体基板SUBは、互いに対向する一方の主表面S1(図2の上側の主表面S1)および他方の主表面S2(図2の下側の主表面S2)と、主表面1に形成された溝(ゲートトレンチ)CHとを有している。図2においては、半導体基板SUB内の他方の主表面S2側に配置されたp-基板領域SBは、第2のリサーフ領域RSF2として配置されている。第2のリサーフ領域RSF2は下側リサーフ領域である。
半導体基板SUB内であって第2のリサーフ領域RSF2としてのp-基板領域SBの主表面S1側に接するように、n型(第1導電型)の不純物を含むn-ドリフト領域NDRが形成されている。n-ドリフト領域NDRは、たとえば半導体基板SUBの主表面S1から主表面S2に向かう方向の深さが2μm程度の領域にまで形成されることが好ましい。n-ドリフト領域NDRは半導体基板SUBの主表面S1に沿う方向に関して、トレンチゲート電極TGEが形成される領域を除く半導体基板SUB内のたとえばほぼ全領域に延びるように形成されている。
n-ドリフト領域NDRの主表面S1側に接するように、p型(第2導電型)の不純物を含む第2導電型のp-リサーフ領域RSF1が配置されている。p-リサーフ領域RSF1は上側リサーフ領域を構成している。また、n-ドリフト領域NDRのp-リサーフ領域RSF1側と反対側に接するように第2導電型の第2のリサーフ領域RSF2としてのp-基板領域SBが配置されている。第2のリサーフ領域RSF2は下側リサーフ領域を構成している。
p-リサーフ領域RSF1は半導体基板SUBの主表面S1に沿う方向に関して、トレンチゲート電極TGE、p-ボディ領域GBLおよびn型ウェル領域NWLが形成される領域を除く半導体基板SUB内のたとえばほぼ全領域に延びるように形成されている。
半導体基板SUBの主表面S1の一部には、p-リサーフ領域RSF1に達するように凹部CCVが形成されている。分離絶縁膜SPRは、凹部CCV内を埋め込むシリコン酸化膜などの絶縁膜により形成されている。
半導体基板SUB内において、半導体基板SUBの主表面S1に沿う方向に関して凹部CCVおよび分離絶縁膜SPRに隣接する領域には、n-ドリフト領域NDRの主表面S1側に接するように、p型の不純物を含むp-ボディ領域GBLが形成されている。より具体的には、分離絶縁膜SPRの真下に配置されない領域および分離絶縁膜SPRのトレンチゲート電極TGE側の端部の領域において、n-ドリフト領域NDRの上面に接するようにn-ドリフト領域NDRの主表面S1側にp-ボディ領域GBLが形成されている。p-ボディ領域GBLは、n-ドリフト領域NDRとpn接合を構成している。
半導体基板SUBの主表面S1のうち、p-ボディ領域GBLに隣接する領域には、ゲートトレンチCHが形成されている。ゲートトレンチCHは、p-ボディ領域GBLおよびn-ドリフト領域NDRに隣接する領域を貫通して、基板領域SBに達するように、主表面S1に交差する(たとえば垂直な)方向に延びている。
ゲートトレンチCHの底及び側壁には、たとえばシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜GIが形成されている。ゲートトレンチCH内に、ゲート絶縁膜GIの上面に接するように、トレンチゲート電極TGEが形成されている。トレンチゲート電極TGEは、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ部のゲート電極である。トレンチゲート電極TGEはゲートトレンチCH内に埋め込まれている。トレンチゲート電極TGEは、ゲート絶縁膜GIを介在して、p-ボディ領域GBLと対向するように配置されている。
p-ボディ領域GBLの主表面S1側に接するように、半導体基板SUBの主表面S1に、第1導電型のn+ソース領域SRと、第2導電型のp+バックゲート領域PBGとが形成されている。したがって、図2の上下方向に関して、n+ソース領域SRおよびp+バックゲート領域PBGの下方にp-ボディ領域GBLが形成されている。
n+ソース領域SRと、p+バックゲート領域PBGとは、主表面S1に沿う方向に並ぶように形成されている。n+ソース領域SRはp+バックゲート領域PBGよりもトレンチゲート電極TGEに近い側(図1の左側)に配置されている。またソース領域SRとバックゲート領域PBGとは互いに接していてもよい。
n+ソース領域SRは、p-ボディ領域GBLとのpn接合を構成している。n+ソース領域SRは、主表面S1においてゲートトレンチCHに沿って互いに分離された第1および第2の部分P1、P2を有している。主表面S1に沿ってn+ソース領域SRとn+ドレイン領域DRとが対向する方向に交差する方向において、第1および第2の部分P1、P2は互いに離れて配置されている。主表面S1において、第1の部分P1と第2の部分P2との間にはp+バックゲート領域PBGが配置されている。また、平面視において、トレンチゲート電極TGEに面する第1および第2の部分P1、P2の各々とp+バックゲート領域PBGとの幅の比は0.5〜1:1であることが好ましい。
p+バックゲート領域PBGは、主表面S1において、n+ソース領域SRに対してn+ドレイン領域DR側に配置されている。つまり、主表面S1に沿ってn+ソース領域SRとn+ドレイン領域DRとが対向する方向において、p+バックゲート領域PBGは、n+ソース領域SRよりもn+ドレイン領域DR側に配置されている。
具体的には、p+バックゲート領域PBGは、主表面S1において、n+ソース領域SRがトレンチゲート電極TGEと対向する領域以外のn+ソース領域SRの周囲に配置されている。つまり、主表面S1において、ゲート絶縁膜GIを介してトレンチゲート電極TGEに面していないn+ソース領域SR3方向がp+バックゲート領域PBGに囲まれている。
図4を参照して、図2に示す半導体基板SUBの断面Aのp型不純物の不純物密度(log)は、p+バックゲート領域PBGおよびp-ボディ領域GBLともに、主表面S1からの深さが大きくなるにつれて低くなっている。また、p+バックゲート領域PBGはp-ボディ領域GBLよりも不純物密度が高くなっている。図中、p+バックゲート領域PBGおよびp-ボディ領域GBLのそれぞれの不純物密度を示す線が交わる点における深さがp+バックゲート領域PBGとp-ボディ領域GBLとが接する位置を示している。
n+ドレイン領域DRは、主表面S1においてn+ソース領域SRに対してゲートトレンチCHと反対側に配置されている。つまり、n+ソース領域SRおよびp+バックゲート領域PBGと主表面S1に沿う方向に関して間隔をあけて、半導体基板SUBの主表面S1にはn+ドレイン領域DRが形成されている。n+ソース領域SRとn+ドレイン領域DRとの間の領域では分離絶縁膜SPRが主表面S1に沿って延びている。
n+ドレイン領域DRの真下には、平面的に(平面視において)n+ドレイン領域DRを囲むように、半導体基板SUB内にn型ウェル領域NWLが形成されている。なお、図2においては、n型ウェル領域NWLはドレイン領域DRの真下から下方向に延び、下方にて主表面S1に沿う方向に広がる形状を有しているが、これに限らずたとえば主表面S1においてドレイン領域DRを囲むようにn型ウェル領域NWLが形成されてもよい。n型ウェル領域NWLはn-ドリフト領域NDRよりn型の不純物濃度が高い領域(n領域)である。
n型ウェル領域NWLは、n-ドリフト領域NDRに達することにより、n-ドリフト領域NDRと電気的に接続され、n-ドリフト領域NDRを流れる電流がn+ドレイン領域DRまで流れることを可能とする。ただし、n型ウェル領域NWLは、n-ドリフト領域NDRの最下部すなわちn-ドリフト領域NDRのうち他方の主表面S2に最も近い領域よりも浅い(主表面S1側の)領域に底部を有するように形成されることが好ましい。具体的には、n型ウェル領域NWLの深さは1μm程度でn型不純物濃度は8×1016cm-3以上2×1017cm-3以下であることが好ましい。
半導体基板SUBの主表面S1(n+ソース領域SR、p+バックゲート領域PBGおよびn+ドレイン領域DR)、トレンチゲート電極TGE、ゲート絶縁膜GI、分離絶縁膜SPRを覆うように、層間絶縁膜IIが形成されている。層間絶縁膜IIはたとえばシリコン酸化膜よりなっている。層間絶縁膜II上に、パターニングされた金属配線ALが形成されている。この金属配線ALは、層間絶縁膜IIに形成されたビアVAと呼ばれる導電層を通じて、半導体基板SUBの主表面S1のトレンチゲート電極TGE、n+ソース領域SR、p+バックゲート領域PBGおよびn+ドレイン領域DRに電気的に接続されている。
以上のような構成のLDMOSトランジスタ部は、その駆動時には、n+ソース領域SRの真下のp-ボディ領域GBLが、隣接するトレンチゲート電極TGEに印加される電圧により電界効果を起こして導電型が反転し、n型のチャネルを形成する。これによりn+ソース領域SRからn+ドレイン領域DRまで、p-ボディ領域GBLおよびn-ドリフト領域NDRを経由する電流の通路が形成される。
上記電流が流れるn-ドリフト領域NDRは、その下側(他方の主表面S2側)がp-基板領域SBに接しており、その上側(主表面S1側)がp-リサーフ領域RSF1に接している。すなわちn-ドリフト領域NDRと、その上下側双方からn-ドリフト領域NDRを挟むように接合されたp-基板領域SBおよびp-リサーフ領域RSF1とにより、2つのpn接合を有するいわゆるダブルリサーフ構造が形成されている。これによりn-ドリフト領域NDRは、その耐圧保持時に、p-基板領域SBとのpn接合部およびp-リサーフ領域RSF1とのpn接合部の双方に空乏層が形成されることから、通常の(たとえば単一のpn接合のみ有する)ドリフト領域よりも空乏化が促進され、n+ソース領域SRとn+ドレイン領域DRとの間の耐圧が向上する。また当該n-ドリフト領域NDRは容易に空乏化されるため、通常のドリフト領域よりもn型不純物濃度を高くすることによりオン抵抗を低減することができる。
次に、図5〜12を参照して、図2に示す本実施の形態の半導体装置の製造方法を説明する。
図5を参照して、まず互いに対向する一方の主表面S1および他方の主表面S2を有する、シリコンからなる半導体基板SUBが準備される。ここではp型不純物を含むp-基板領域SBからなる半導体基板SUBが準備される。この半導体基板SUBの主表面S1側から、通常のイオン注入技術を用いて半導体基板SUB内にn-ドリフト領域NDRが形成される。具体的には、たとえば主表面S1からの深さが1μm以上2μm以下程度の飛程でリンの不純物イオンが半導体基板SUB内に注入される。その後、たとえば1200℃程度に加熱され5時間程度の熱処理がなされることにより、主表面S1からの深さが1μm以上2μm以下程度の範囲内にn型不純物であるリンの不純物イオンを含むn-ドリフト領域NDRが形成される。
図6を参照して、通常の写真製版技術およびエッチング技術により、半導体基板SUBの主表面S1上に、たとえばシリコン窒化膜からなるマスクパターンMSKが形成される。このマスクパターンMSKをマスクとして、通常の写真製版技術およびエッチング技術により、半導体基板SUBの主表面S1に凹部CCVが形成される。凹部CCVは、その底部がn-ドリフト領域NDRよりも浅い領域に形成される。この凹部CCV内を埋めるように主表面S1上にたとえばシリコン酸化膜がたとえば通常のCVD(Chemical Vapor Deposition)法により形成される。その後主表面S1上のシリコン酸化膜がたとえばCMP(Chemical Mechanical Polishing)と呼ばれる化学機械的研磨法により上面が平坦となるように研磨され、たとえば凹部CCVの外側にはみ出た余分なシリコン酸化膜は除去される。これにより凹部CCV内には分離絶縁膜SPRが形成される。分離絶縁膜SPRの形成後、マスクパターンMSKは除去される。
図7を参照して、次に通常の写真製版技術により、p-リサーフ領域RSF1およびp-ボディ領域GBLが形成されるべき領域に開口を有するように、マスクパターンMSKが形成される。マスクパターンMSKをマスクとして、通常のイオン注入技術を用いてp型の不純物イオンが注入されることにより、半導体基板SUB内にp-リサーフ領域RSF1およびp-ボディ領域GBLが形成される。具体的には、p-リサーフ領域RSF1では分離絶縁膜SPRの直下の飛程となるようにイオンが注入される。またp-ボディ領域GBLは、多段イオン注入によって、しきい値電圧VTを制御する濃度およびパンチスルーを防止する濃度にて分離絶縁膜SPRにまたがるように形成される。p-リサーフ領域RSF1などの形成後、マスクパターンMSKは除去される。
図8を参照して、次に通常の写真製版技術により、n-ドレイン領域DRを形成すべき領域に開口を有する、マスクパターンMSKが形成される。通常のイオン注入技術によりn型の不純物イオン(たとえばリン)が注入されることで、n型ウェル領域NWLが形成される。n型ウェル領域NWLの形成後、マスクパターンMSKは除去される。n型ウェル領域NWLは多段イオン注入により形成されることが好ましい。
図9を参照して、次に通常の写真製版技術およびエッチング技術により、ゲートトレンチCHが形成される。ここではp-ボディ領域GBLに隣接するように、主表面S1から深さ方向に延びるゲートトレンチCHが形成される。このゲートトレンチCHは、少なくともn-ドリフト領域NDRに達するように形成され、図9においてはn-ドリフト領域NDRを貫通してその下のp-基板領域SBに達するように形成される。
図10を参照して、次に熱酸化処理法等により、ゲートトレンチCHの底側壁にシリコン酸化膜が形成される。この状態でゲートトレンチCH内を埋め込むように、たとえば導電性不純物を含む多結晶シリコン膜(DOPOS:DOped POly Silicon)等が、通常のCVD法により形成される。その後、上記のシリコン酸化膜および多結晶シリコン膜等がエッチバックされることにより、図10に示す態様のゲート絶縁膜GIおよびトレンチゲート電極TGEが形成される。トレンチゲート電極TGEは、LDMOSトランジスタ部のゲート電極として形成される。
図11を参照して、通常の写真製版技術およびイオン注入技術を用いて、半導体基板SUBの主表面S1のうち、p-ボディ領域GBLの真上にはn型不純物イオンの注入によるn+ソース領域SRとp型不純物イオンの注入によるp+バックゲート領域PBGとが形成される。また同様に、半導体基板SUBの主表面S1のうち、n型ウェル領域NWLの真上にはn型不純物イオンの注入によるn+ドレイン領域DRが形成される。
図12を参照して、半導体基板SUBの主表面S1上に、たとえばCVD法を用いてシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜IIが形成され、その後、当該層間絶縁膜IIがCMPにより上面が平坦となるように研磨される。さらに通常の写真製版技術およびエッチング技術により、トレンチゲート電極TGE、n+ソース領域SR、p+バックゲート領域PBGおよびn+ドレイン領域DRのそれぞれに達するように層間絶縁膜IIにビアホールが形成される。ビアホールの内部にたとえばタングステンよりなる導電層がたとえばCVD法により形成され、層間絶縁膜II上のタングステンの薄膜はCMPにより除去される。これにより、ビアVAが形成される。
再び図2を参照して、この後、層間絶縁膜II上にはたとえばアルミニウムからなる薄膜が、たとえばスパッタリングにより形成される。そして通常の写真製版技術およびエッチング技術により、たとえばアルミニウムからなる金属配線ALが形成される。これにより図2に示す構成のLDMOSトランジスタ部が形成される。
次に、本実施の形態の作用効果を比較例と対比して説明する。なお、特に説明しない限り、比較例の半導体装置の構成は本実施の形態の半導体装置の構成とほぼ同じであるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
図13および図14を参照して、比較例1の半導体装置は、p+バックゲート領域PBGの構成が主に本実施の形態の半導体装置と異なっている。また、p-リサーフ領域RSF1は形成されていない。
比較例1の半導体装置では、主表面S1において、トレンチゲート電極TGEに沿って、n+ソース領域SRおよびp+バックゲート領域PBGが直線状に延びるように形成されている。また、主表面S1において、p+バックゲート領域PBGは、n+ソース領域SRに対して、トレンチゲート電極TGEと反対側に配置されている。
比較例1の半導体装置では、n-ドリフト領域NDRのn+ドレイン領域DR側の端部Pにおいて電界強度が高くなるため、この端部Pでインパクトイオナイゼーションが発生する。これにより、電子とホールの対が発生する。この結果、このホールによるホール電流がサブ電流として発生する。このサブ電流は、p-ボディ領域GBLを経由してp+バックゲート領域PBGを通ってGND電位に流れ出す。
しかしながら、比較例1の半導体装置では、p+バックゲート領域PBGは、n+ソース領域SRに対してトレンチゲート電極TGEと反対側において、n+ソース領域SRに沿って直線状に形成されているため、p+バックゲート領域PBGの平面視における面積を十分に確保することができない。したがって、p+バックゲート領域PBGはホールを十分に引き抜くことができない。このため、p-ボディ領域GBLの電位が上昇することによって、n+ソース領域SR、p-ボディ領域GBLおよびn-ドリフト領域NDRによるnpn寄生バイポーラ動作が生じる。よって、オン耐圧が低い。
続いて、図15〜図17を参照して、比較例2の半導体装置も、p+バックゲート領域PBGの構成およびゲート電極GEの構成が主に本実施の形態の半導体装置と異なっている。また、p-リサーフ領域RSF1が形成されていない。
比較例2の半導体装置では、平面視において、n+ソース領域SRはゲート電極GEを挟んでn+ドレイン領域DRと対向するように配置されている。また、平面視において、n+ソース領域SRのゲート電極GEに面しない3方向がp+バックゲート領域PBGで囲われている。
比較例2の半導体装置でも、n-ドリフト領域NDRのn+ドレイン領域DR側の端部Pでインパクトイオナイゼーションが発生し、サブ電流がp-ボディ領域GBLを経由してp+バックゲート領域PBGを通ってGND電位に流れ出す。
しかしながら、比較例2の半導体装置では、p+バックゲート領域PBGはn+ソース領域SRに対してn+ドレイン領域DRと反対側に配置されている。このため、p-ボディ領域GBLの電位が上昇しやすく、n+ソース領域SR、p-ボディ領域GBLおよびn-ドリフト領域NDRによるnpn寄生バイポーラ動作が生じる。p+バックゲート領域PBGによって寄生バイポーラ動作を十分に低減できないため、オン耐圧が低い。
これに対して、図1および図18〜図19を参照して、本実施の形態の半導体装置では、p+バックゲート領域PBGは、主表面S1においてn+ソース領域SRの第1および第2の部分P1、P2の間に配置され、かつn+ソース領域SRに対してn+ドレイン領域DR側に配置されている。
本実施の形態の半導体装置でも、n-ドリフト領域NDRのn+ドレイン領域DR側の端部Pでインパクトイオナイゼーションが発生し、サブ電流がp-ボディ領域GBLを経由してp+バックゲート領域PBGを通ってGND電位に流れ出す。本実施の形態の半導体装置では、図1に示すように、主表面S1において、n+ソース領域SRの第1および第2の部分P1、P2の間にp+バックゲート領域PBGが配置されているため、第1および第2の部分P1、P2の間に配置されたp+バックゲート領域PBGからもホールを引き抜くことができる。また、n+ソース領域SRに対してn+ドレイン領域DR側にp+バックゲート領域PBGが配置されているため、p+バックゲート領域PBGからホールを引き抜くことができる。したがって、p+バックゲート領域PBGはホールを十分に引き抜くことができる。これにより、p-ボディ領域GBLの電位の上昇を抑制することができるため、n+ソース領域SR、p-ボディ領域GBLおよびn-ドリフト領域NDRによるnpn寄生バイポーラ動作を抑制することができる。このため、p+バックゲート領域によって寄生バイポーラ動作を低減させてオン耐圧を向上することができる。
また、本実施の形態の半導体装置では、図2に示すように、n+ソース領域SRに対してn+ドレイン領域DR側にp+バックゲート領域PBGが配置されている。このため、n-ドリフト領域NDRのn+ドレイン領域DR側の端部Pからp-ボディ領域GBLを通ってp+バックゲート領域PBGに至るホールの経路を短くすることができる。つまり、p-ボディ領域GBLにおけるホールの経路を短くすることができる。これにより、サブ電流が流れる際に、p-ボディ領域GBLによる抵抗を小さくすることができるため、オン耐圧を改善することができる。
また、本実施の形態の半導体装置では、図1に示すように、主表面S1において、n+ソース領域SRの第1および第2の部分P1、P2の間にp+バックゲート領域PBGが配置されているため、トレンチゲート電極のチャネル幅を小さくすることができる。このため、ドレイン電流を小さくすることができるため、n-ドリフト領域NDRのn+ドレイン領域DR側の端部Pでのインパクトイオナイゼーションを抑制することができる。これにより、サブ電流の発生を抑制できるため、n+ソース領域SR、p-ボディ領域GBLおよびn-ドリフト領域NDRによるnpn寄生バイポーラ動作を抑制することができる。このため、p+バックゲート領域によって寄生バイポーラ動作を低減させてオン耐圧を向上することができる。
また、本実施の形態の半導体装置では、図4に示すように、p+バックゲート領域PBGはp-ボディ領域GBLよりも不純物密度が高くなっている。このため、p+バックゲート領域PBGはp-ボディ領域GBLからホールを引き抜きやすい。
また、本実施の形態の半導体装置では、p+バックゲート領域PBGは、主表面S1においてn+ソース領域SRがトレンチゲート電極TGEと対向する領域以外のn+ソース領域SRの周囲に配置されている。このため、p+バックゲート領域PBGの面積を大きくすることができる。これにより、p+バックゲート領域PBGからホールを十分に引き抜くことができる。よって、p-ボディ領域GBLの電位の上昇を十分に抑制することができるため、n+ソース領域SR、p-ボディ領域GBLおよびn-ドリフト領域NDRによるnpn寄生バイポーラ動作を十分に抑制することができる。このため、p+バックゲート領域によって寄生バイポーラ動作を低減させてオン耐圧を向上することができる。
また、本実施の形態の半導体装置では、p-リサーフ領域RSF1がn-ドリフト領域NDRの主表面S1側に接するように配置されているため、n-ドリフト領域NDRのp-リサーフ領域RSF1とのpn接合部に空乏層を形成することができる。これにより、n+ソース領域SRとn+ドレイン領域DRとの間の耐圧を向上することができる。
さらに、本実施の形態の半導体装置では、第2のリサーフ領域RSF2がn-ドリフト領域NDRのp-リサーフ領域RSF1側と反対側に接するように配置されているため、n-ドリフト領域NDRのp-基板領域SBとのpn接合部にも空乏層を形成することができる。これにより、n+ソース領域SRとn+ドレイン領域DRとの間の耐圧をさらに向上することができる。
次に、本実施の形態の変形例について説明する。以下の本実施の形態の変形例では、コンタクトレイアウトが上記の本実施の形態と異なっている。
図20を参照して、本実施の形態の変形例1では、主表面S1に配置され、n+ソース領域SRに接続された導電層(ビア)VAと、p+バックゲート領域PBGに接続された導電層(ビア)VAとがそれぞれスリット状に形成されている。これらの導電層(ビア)VAはそれぞれ、ソース−ドレイン方向に対して直交する方向に、互いに離れて、並んで配置されている。なお、図20は図1に対応する図であって、図20中II−II線に沿う断面図は図2に対応する。
導電層(ビア)VAは、第1のコンタクトCO1と、第2のコンタクトCO2とを有している。第1のコンタクトCO1は、ゲートトレンチCHに沿って、第1および第2の部分P1、P2上にまたがるように配置され、第1および第2の部分P1、P2およびp+バックゲート領域PBGに接続されている。第2のコンタクトCO2は、第1のコンタクトCO1に対してゲートトレンチCHと反対側に、第1のコンタクトCO1に沿って、p+バックゲート領域PBG上に配置され、p+バックゲート領域PBG上に接続されている。
本実施の形態の変形例1では、導電層VAがスリット状に形成されているため、導電層VAとn+ソース領域SRおよびp+バックゲート領域PBGとの接触面積を大きくすることができる。つまり、導電層VAと第1および第2の部分P1、P2およびp+バックゲート領域PBGとの接続部である第1のコンタクトCO1と、導電層VAとp+バックゲート領域PBGとの接続部である第2のコンタクトCO2を大きくすることができる。このため、n+ソース領域SRおよびp+バックゲート領域PBGのそれぞれとの第1および第2のコンタクトCO1、CO2の抵抗を低減することができる。
また、n+ソース領域SRおよびp+バックゲート領域PBGの配置密度は、コンタクトホールの場合には、導電層(ビア)VAの配置密度によって制限されるが、スリットの場合には、導電層(ビア)VAの配置密度によって制限されない。
また、図21および図22を参照して、本実施の形態の変形例2では、主表面S1に配置され、p+バックゲート領域PBGに接続された導電層(ビア)VAと、n+ソース領域SRおよびp+バックゲート領域PBGの両方に接続された導電層(ビア)VAがそれぞれスリット状に形成されている。これらの導電層(ビア)VAはそれぞれ、ソース-ドレイン方向に、互いに離れて、並んで配置されている。
導電層(ビア)VAは、第3のコンタクトCO3を有している。第3のコンタクトCO3は、ゲートトレンチCHと交差する方向に延在している。第3のコンタクトCO3は、n+ソース領域SRおよびn+ソース領域SRに対してn+ドレイン領域DR側に配置されたp+バックゲート領域PBG上にまたがるように配置され、n+ソース領域SRおよびp+バックゲート領域PBG上に接続されている。
本実施の形態の変形例2では、導電層VAがスリット状に形成されているため、導電層VAとn+ソース領域SRおよびp+バックゲート領域PBGとの接触面積を大きくすることができる。つまり、導電層VAとn+ソース領域SRおよびp+バックゲート領域PBGとの接触面積を大きくすることができる。このため、n+ソース領域SRおよびp+バックゲート領域PBGのそれぞれとの第2および第3のコンタクトCO3の抵抗を低減することができる。
また、平面視におけるp+バックゲート領域PBGの幅Laは、コンタクトホールの場合には、導電層(ビア)VAの配置密度によって制限されるが、スリットの場合には、導電層(ビア)VAの配置密度によって制限されない。
また、図23および図24を参照して、本実施の形態の変形例3では、シリサイド層SCが形成されている。シリサイド層SCは、シリコンが金属材料と反応した領域である。シリサイド層SCは、n+ソース領域SRおよびp+バックゲート領域PBG上にまたがって配置されている。つまり、n+ソース領域SRおよびp+バックゲート領域PBGは、主表面S1方向に関して互いに接するように隣り合っており、シリサイド層SCはn+ソース領域SRおよびp+バックゲート領域PBGの双方の上面をまたぐように形成されている。そして、このシリサイド層SCの上面にビアVAが接続されている。本変形例の第1の例では、ビアVAは、p+バックゲート領域PBG上の領域においてシリサイド層SCに接続されている。このビアVAはn+ソース領域SRおよびp+バックゲート領域PBGとの双方が共有している。
本実施の形態の変形例3では、n+ソース領域SRおよびp+バックゲート領域PBGがシリサイド層SCによって電気的に接続されているため、直接n+ソース領域SRおよびp+バックゲート領域PBG上にビアVAを配置する必要がない。このため、シリサイド層SCを経由して、n+ソース領域SRおよびp+バックゲート領域PBGにビアVAを電気的に接続することができる。これにより、n+ソース領域SRおよびp+バックゲート領域PBGのレイアウトがビアVAのレイアウトに制限されないため、より高密度、または、より小さな面積でn+ソース領域SRおよびp+バックゲート領域PBGをレイアウトすることができる。
したがって、上記では本変形例の第1の例として、ビアVAがp+バックゲート領域PBG上の領域においてシリサイド層SCに接続されている場合について説明したが、図25を参照して、本変形例の第2の例に示すように、ビアVAがn+ソース領域SR上の領域においてシリサイド層SCに接続されていてもよい。また、図26を参照して、本変形例の第3の例に示すように、ビアVAがn+ソース領域SRおよびp+バックゲート領域PBGにまたがる領域においてシリサイド層SCに接続されていてもよい。
(実施の形態2)
本実施の形態2の半導体装置は、実施の形態1に対して、スーパージャンクション構造を有している点で主に異なっている。
本実施の形態2の半導体装置は、実施の形態1に対して、スーパージャンクション構造を有している点で主に異なっている。
図27を参照して、本実施の形態では、ドレイン構造がスーパージャンクション構造で構成されている。具体的には、半導体基板SUB内であってp-基板領域SBの主表面S1側に接するように、n型の不純物を含むNカラムNCと、p型の不純物を含むPカラムPCとが形成されている。NカラムNCとPカラムPCとはソース−ドレイン方向に直交する方向に交互に配置されている。NカラムNCおよびPカラムPCは、半導体基板SUBに多段イオン注入を行うことにより形成される。NカラムNCおよびPカラムPCは、主表面S1から3μm程度の深さまで一様な不純物濃度で形成されている。NカラムNCおよびPカラムPCは、幅および不純物濃度がスーパージャンクション条件を満たすように形成されている。
なお、これ以外の本実施の形態の構成は、実施の形態1の構成とほぼ同じであるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明は繰り返さない(このことは以下の各実施の形態において同じである)。
本実施の形態の半導体装置は、スーパージャンクション構造を有しているため、Nカラム濃度が高くなることで、低オン抵抗となる。このため、寄生バイポーラ動作によるオン耐圧低下が発生しやすいが、p+バックゲート領域によって寄生バイポーラ動作を低減させてオン耐圧を改善することができる。
図28を参照して、実施の形態1の比較例1と、本実施の形態とのオン電流波形を比較した。本実施の形態では、実効のソースW長が異なるため、低ドレイン電圧時の飽和電流を合わせるために、ゲート電圧を高めに設定し、チャネル抵抗をそろえて比較している。この結果、本実施の形態では、比較例1に比べて、ドレイン電圧が80Vを超えた状態でも、ドレイン電流のドレイン電圧に依存した増加が抑えられ、オン耐圧が改善されている。
(実施の形態3)
本実施の形態3の半導体装置は、実施の形態1に対して、半導体基板がSOI(Silicon On Insulator)である点で主に異なっている。
本実施の形態3の半導体装置は、実施の形態1に対して、半導体基板がSOI(Silicon On Insulator)である点で主に異なっている。
図29および図30を参照して、本実施の形態の半導体装置では、n-ドリフト領域(ドリフト領域)NDRの他方の主表面S2側に接するように、絶縁層OXが形成されている。絶縁層OXはたとえばシリコン酸化膜よりなり、その厚みは0.1μm以上2μm以下であることが好ましい。また、半導体基板SUBの主表面S1から図の上下方向に延びるトレンチゲート電極TGE(ゲートトレンチCH)は、少なくともn-ドリフト領域NDRに達しており、絶縁層OXに達するように形成されることが好ましい。
半導体基板SUBにSOIを使用することによって、LDMOSトランジスタ部が絶縁層OXによってp-基板領域SBから分離される。これにより、LDMOSトランジスタ部はハイサイドトランジスタとしても使用可能であり、また、他の領域との干渉を防ぐことができる。
(実施の形態4)
本実施の形態4の半導体装置は、実施の形態1に対して、ラテラル(横型)のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である点で異なっている。
本実施の形態4の半導体装置は、実施の形態1に対して、ラテラル(横型)のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である点で異なっている。
図31〜図33を参照して、具体的には、実施の形態1のn+ソース領域に対応する領域がn+エミッタ領域(エミッタとなる第1の不純物領域)ERで構成されており、n+ドレイン領域に対応する領域がp+コレクタ領域(コレクタとなる第2導電型の第2の不純物領域)CRで構成されている。また、実施の形態1に対して、半導体基板がSOIである点でも異なっている。
実施の形態の半導体装置でも、p+バックゲート領域PBGが主表面S1においてn+エミッタ領域ERの第1および第2の部分P1、P2の間に配置され、かつn+エミッタ領域ERに対してp+コレクタ領域CR側に配置されているため、p+バックゲート領域PBGによって寄生バイポーラ動作を低減させてオン耐圧を向上することができる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
AL 金属配線、CCV 凹部、CH ゲートトレンチ、CO1 第1のコンタクト、CO2 第2のコンタクト、CR p+コレクタ領域、DR n+ドレイン領域、ER n+エミッタ領域、GBL p-ボディ領域、GE ゲート電極、GI ゲート絶縁膜、II 層間絶縁膜、MSK マスクパターン、NC Nカラム、NDR n-ドリフト領域、NWL n型ウェル領域、OX 絶縁層、PC Pカラム、P1 第1の部分、P2 第2の部分、PBG p+バックゲート領域、RSF1 第1のリサーフ領域、RSF2 第2のリサーフ領域、SB p-基板領域、SC シリサイド層、SPR 分離絶縁膜、SR n+ソース領域、SUB 半導体基板、TGE トレンチゲート電極、VA ビア。
Claims (7)
- 横型の絶縁ゲート型電界効果トランジスタ部を有する半導体装置であって、
主表面および前記主表面に形成された溝を有する半導体基板と、
前記半導体基板の前記溝内に埋め込まれた前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタ部のゲート電極と、
前記主表面において前記溝に沿って互いに分離された第1および第2の部分を有し、ソースまたはエミッタとなる第1導電型の第1の不純物領域と、
前記主表面において前記第1の不純物領域に対して前記溝と反対側に配置され、第1導電型のドレインまたは第2導電型のコレクタとなる第2の不純物領域と、
前記主表面において前記第1および第2の部分の間に配置され、かつ前記第1の不純物領域に対して前記第2の不純物領域側に配置された第2導電型のバックゲート領域とを備えた、半導体装置。 - 前記バックゲート領域は、前記主表面において前記第1の不純物領域が前記ゲート電極と対向する領域以外の前記第1の不純物領域の周囲に配置されている、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記主表面上に配置され、かつ前記第1の不純物領域および前記バックゲート領域に電気的に接続された導電層をさらに備え、
前記導電層は、
前記溝に沿って、前記第1および第2の部分上にまたがるように配置され、かつ前記第1および第2の部分および前記バックゲート領域に接続された第1のコンタクトと、
前記第1のコンタクトに対して前記溝と反対側に、前記第1のコンタクトに沿って、前記バックゲート領域上に配置され、かつ前記バックゲート領域に接続された第2のコンタクトとを含む、請求項1に記載の半導体装置。 - 前記主表面上に配置され、かつ前記第1の不純物領域および前記バックゲート領域に電気的に接続された導電層をさらに備え、
前記導電層は、
前記主表面において前記溝と交差する方向に延在し、かつ前記第1の不純物領域および前記第1の不純物領域に対して前記第2の不純物領域側に配置された前記バックゲート領域上にまたがるように配置され、かつ前記第1の不純物領域および前記バックゲート領域に接続された第3のコンタクトを含む、請求項1に記載の半導体装置。 - 前記主表面において前記第1の不純物領域および前記バックゲート領域上にまたがって配置されたシリサイド層をさらに備えた、請求項1項に記載の半導体装置。
- 前記半導体基板内に配置された第1導電型のドリフト領域と、
前記ドリフト領域の前記主表面側に接する第2導電型の第1のリサーフ領域とをさらに備えた、請求項1項に記載の半導体装置。 - 前記ドリフト領域の前記第1のリサーフ領域側と反対側に接する第2導電型の第2のリサーフ領域をさらに備えた、請求項6に記載の半導体装置。
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