(57)【要約】【課題】  低耐圧用であって、耐圧とオン抵抗の両者が理想的な値に近いトレンチゲート型の半導体装置を提供する。【解決手段】  パワーＭＯＳ１００は、半導体基板２内に、ｎ型のソース領域１４と、ｐ型のボディ領域８と、ｐ型のボディコンタクト領域１０と、ｎ型のドリフト領域６と、ｎ型のドレイン領域４を備えており、縦型の低耐圧用デバイスである。半導体基板２の表面からドリフト領域６に達するまで伸びているトレンチ１７と、トレンチ１７内に形成されているトレンチゲート電極１６と、ドリフト領域６内に位置するとともにトレンチ１７の底面１７ａを囲む範囲に形成されているｐ型不純物の含有領域２０を備えている。ｐ型不純物の含有領域２０の中心Ｄ２は、ドリフト領域６の中間深さＤ１より深い位置に形成されている。トレンチゲート電極１６は、ｐ型不純物の含有領域２０にまで達している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の表面に表面電極が形成されており、半導体基板の裏面に裏面電極が形成されている縦型半導体装置であり、
半導体基板の表面に臨む位置に形成されている第１導電型のソース領域と、
半導体基板の裏面側に形成されている第１導電型のドリフト領域と、
前記ソース領域と前記ドリフト領域を分離している第２導電型のボディ領域と、
半導体基板の表面から前記ソース領域と前記ボディ領域を貫通して前記ドリフト領域に達するまで伸びているとともに、壁面が絶縁層で被覆されているトレンチと、
そのトレンチ内に形成されているトレンチゲート電極と、
前記ドリフト領域内に位置するとともに前記トレンチの底面を囲む範囲に形成されている第２導電型不純物の含有領域を備えており、
前記第２導電型不純物の含有領域の中心が、前記ドリフト領域の中間深さより深い位置に形成されており、
前記トレンチゲート電極が、前記第２導電型不純物の含有領域にまで達している、
ことを特徴とする縦型半導体装置。
【請求項２】
前記半導体基板の終端領域の表面から深部に伸びている終端領域内の終端トレンチと、
その終端トレンチの底面を囲む範囲に形成されている終端領域内の第２導電型不純物の含有領域が付加されており、
前記終端トレンチの内部に絶縁体が充填されている、
ことを特徴とする請求項１の縦型半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板の表面に表面電極が形成されており、半導体基板の裏面に裏面電極が形成されている縦型半導体装置に関する。特に、ソース領域と、ボディ領域と、ドリフト領と、トレンチゲート電極を備えている縦型半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等の大電流を制御できる半導体装置が開発されている。一般的に、半導体装置の高耐圧化と低オン抵抗化は、トレードオフの関係にある。
【０００３】
特許文献１に、高耐圧化と低オン抵抗化の両立に成功したパワーＭＯＳが記載されている。図４の（Ａ）に、そのパワーＭＯＳ２００の断面図を示す。パワーＭＯＳ２００は、半導体基板５２の表面に形成されている表面電極６２と、半導体基板５２の裏面に形成されている裏面電極７２を備えており、縦型である。半導体基板５２内には、ソース領域６４と、ボディ領域５８と、ボディコンタクト領域６０と、ドリフト領域５６と、ドレイン領域５４が形成されている。ソース領域６４は、第１導電型（ｎ型）であり、半導体基板５２の表面に臨む位置に形成されており、表面電極６２に導通している。ドリフト領域５６は、第１導電型（ｎ型）であり、半導体基板５２の裏面側に形成されており、第１導電型（ｎ型）のドレイン領域５４を介して、裏面電極７２に導通している。ボディ領域５８は、第２導電型（ｐ型）であり、ソース領域６４とドリフト領域５６を分離している。ボディコンタクト領域６０は、第２導電型（ｐ型）の不純物を高濃度に含有し、ボディ領域５８の電位を表面電極６２の電位によって安定させる。ドレイン領域５４は、第１導電型（ｎ型）の不純物を高濃度に含有し、裏面電極７２との接触抵抗を低下させる。半導体基板５２の表面からソース領域６４とボディ領域５８を貫通してドリフト領域５６に達するまで伸びているトレンチ６７が形成されている。トレンチ６７の深部には、絶縁層６８ｂが充填されている。トレンチ６７の浅部の側壁は、絶縁層６８ａで被覆されている。トレンチ６７の浅部には、トレンチゲート電極６６が形成されている。トレンチゲート電極６６は、ボディ領域５８の下面よりもわずかに深い深さにまで伸びている。耐圧性能を向上させるために、トレンチ６７の底面６７ａを囲む範囲に、第２導電型（ｐ型）不純物の含有領域７０（以下、不純物含有領域７０と記載する）が形成されている。不純物含有領域７０は、ドリフト領域５６内に形成されている。トレンチゲート電極６６は、ドリフト領域５６内の浅いレベルにしか形成されておらず、トレンチゲート電極６６の底面６６ａと、不純物含有領域７０は、絶縁層６８ｂで分離されている。
【０００４】
パワーＭＯＳ２００のオフ時に発生する電界（Ｖ/ｃｍ）の深さ方向のプロファイルを調べると、図４の（Ｂ）に示すように、トレンチゲート電極６６の底面６６ａに一致する深さで１つ目のピークを持ち、不純物含有領域７０の下部近傍に深さ７０ａで２つ目のピークを持つことが分る。
不純物含有領域７０が形成されていないと、トレンチゲート電極６６の底面６６ａに一致する深さで１つだけのピークを持つ電界強度プロファイルとなる。半導体装置の耐圧は、図４（Ｂ）のハッチに示す面積が大きいほど耐圧が高い。不純物含有領域７０を形成して２つのピークが形成されるようにすると、高い耐圧を確保することができる。逆に、要求される耐圧が同じであれば、不純物含有領域７０を形成することによって、ドリフト領域５６の不純物の濃度を上げることができる。ドリフト領域５６の不純物の濃度を上げることができれば、パワーＭＯＳ２００のオン抵抗が低下する。
パワーＭＯＳ２００は、第２導電型不純物の含有領域７０を備えていることによって、必要な耐圧を確保しながらオン抵抗を低下することに成功している。
【０００５】
図５に、トレンチゲート型のパワーＭＯＳの、耐圧とオン抵抗のトレードオフの関係を示す。図５の縦軸は、オン抵抗（ｍΩ・ｍｍ２）を示す。図５の横軸は、耐圧（Ｖ）を示す。また、図５中の曲線Ｄは、耐圧とオン抵抗の理論限界を表した曲線を示す。耐圧を増大させると、オン抵抗まで増大することが分る。
図示Ａは、不純物含有領域７０が形成されていないトレンチゲート型のパワーＭＯＳの測定値を示す。図示Ｂは、パワーＭＯＳ２００の測定値を示す。
図５に示すように、要求耐圧が等しい場合（図５に示す例では７０Ｖ）、不純物含有領域７０が形成されていないトレンチゲート型のパワーＭＯＳのオン抵抗に比して、不純物含有領域７０が形成されているパワーＭＯＳ２００のオン抵抗を、前者の６０％以下にまで低下することができる。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１１６８２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
必要耐圧が比較的に低い（例えば３７Ｖ程度）条件で使用される半導体装置が必要とされることがある。耐圧が低い場合には、ドリフト領域の不純物濃度をあげてオン抵抗を低下させることができるはずである。そこで、図４の構造を維持しながら、ドリフト領域の不純物濃度をあげてみる。図５のＣは、その測定結果を示している。確かに、ドリフト領域の不純物濃度をあげることによって、オン抵抗が低下するが、その低下の程度は予想されたものでない。図５の測定結果Ｂでは、理論カーブＤによく近似していたのに対し、ドリフト領域の不純物濃度をあげると、理論カーブＤより離れてしまう。
【０００８】
本発明では、上記の問題を克服する技術を提供する。単にドリフト領域の不純物濃度を増大させるだけでは理論カーブＤから離れてしまう原因を究明し、それに対策することによって理論カーブＤに近づける技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の研究では、単にドリフト領域の不純物濃度を増大させるだけでは理論カーブＤから離れてしまう原因を究明した。その結果、下記が判明した。
図４の（Ｃ）は、パワーＭＯＳ２００のドリフト領域の不純物濃度を増大させたときの電界強度プロファイルを示す。明らかに、トレンチゲート電極６６の底面６６ａに一致する深さでのピーク値に比して、不純物含有領域７０の下部近傍に深さ７０ａでピーク値が低下してしまう。図４（Ｂ）の場合と比較すると、２つのピークに電界強度分布を分割した効果が不十分となることが分る。
その現象が生じる原因を計算してみたところ、半導体装置のオフ時にトレンチゲート電極６６の底面６６ａから不純物含有領域７０に向けて伸びる空乏層が、ドリフト領域の不純物濃度を増大させることによって伸びにくくなり、その結果、トレンチゲート電極６６の底面６６ａに一致する深さでのピーク値が増大し、不純物含有領域７０の下部近傍に深さ７０ａでピーク値が低下してしまうことが判明した。
【００１０】
上記が原因であることが判明した結果、ドリフト領域の不純物濃度を増大させるのに呼応して不純物含有領域７０を形成する深さを浅くすれば、２つのピーク値をほぼ等しくすることができ、２つのピークに電界強度分布を分割した効果が十分に得られるものと予想された。
しかしながら、検証してみると、予想に反して、不純物含有領域７０を形成する深さを浅くすると、オン抵抗が上昇してしまうことが判明した。
そこでさらにその理由を究明した。その結果、ボディ領域５８に形成されるチャンネルを流れてきたキャリアのドリフト領域内における有効通過領域が、不純物含有領域７０を形成する深さを浅くすると、制約されてしまうことが原因であることが判明した。すなわち、トレンチゲート電極６６に沿ってボディ領域５８を通過してきたキャリアは、不純物含有領域７０を迂回しながら裏面電極に流れる。この際に、不純物含有領域７０を形成する深さを浅くすると、トレンチゲート電極６６に沿って流れるとともに、不純物含有領域７０を迂回しながら流れるキャリアの有効通過領域が制約され、それによってオン抵抗が増大することが判明した。
【００１１】
本発明は、上記の原因究明から得られた。すなわち、２つのピークに電界強度分布を分割した効果が十分に得られ、しかも、キャリアの通過範囲を十分に確保できる構造を実現した。
【００１２】
本発明の半導体装置は、基本的には図４の構造を踏襲している。すなわち、半導体基板の表面に表面電極が形成されており、半導体基板の裏面に裏面電極が形成されている縦型半導体装置であり、半導体基板内に、ソース領域と、ドリフト領域と、ボディ領域と、トレンチと、トレンチゲート電極と、第２導電型不純物の含有領域（以下、不純物含有領域と記載する）が形成されている。
ソース領域は、第１導電型であり、半導体基板の表面に臨む位置に形成されている。
ドリフト領域は、第１導電型であり、半導体基板の裏面側に形成されている。
ボディ領域は、第２導電型であり、ソース領域とドリフト領域を分離している位置に形成されている。
トレンチは、半導体基板の表面からソース領域とボディ領域を貫通してドリフト領域に達するまで伸びている。トレンチの壁面は、絶縁層で被覆されている。
トレンチゲート電極は、トレンチ内に形成されている。
不純物含有領域は、トレンチの底面を囲む範囲に形成されている。不純物含有領域は、ドリフト領域内に形成されている。
不純物含有領域の中心は、ドリフト領域の中間深さより深い位置に形成されている。不純物含有領域の中心の深さは、トレンチの底面より上に位置してもよいし、トレンチの底面より下に位置してもよいし、トレンチの底面と同じ深さに位置してもよい。
図４の構造とは異なり、本発明の半導体装置では、トレンチゲート電極が、不純物含有領域にまで達している。
【００１３】
本発明の半導体装置によると、電界強度プロファイルにおいて２つのピークを形成する深さ、すなわち、トレンチゲート電極の底面の深さと、不純物含有領域の下部近傍の深さが近接しているため、ドリフト領域の不純物濃度を高くしても、トレンチゲート電極の底面近傍から不純物含有領域に向けて伸びる空乏層を、不純物含有領域に至るまで伸ばすことができる。その結果、不純物含有領域の下部近傍に形成される電界強度のピーク値が低下することがない。電界強度分布を２つのピークに分割した効果が十分に得られ、高い耐圧を保持することができる。
また、不純物含有領域の中心がドリフト領域の中間深さより深い位置に形成されているため、ボディ領域と不純物含有領域の間の距離が十分離れている。このため、トレンチゲート電極に沿ってボディ領域を通過してきたキャリアが不純物含有領域を迂回しながら裏面電極に流れるための有効領域を十分に確保することができ、オン抵抗の増大を抑制することができる。
本発明の半導体装置によると、低耐圧用の半導体装置であって、図４の構造で製造すると耐圧とオン抵抗の特性が理論的関係から離れてしまうような場合に、理論的関係によく一致するほどに高い耐圧と低いオン抵抗を実現することができる。
【００１４】
本発明の半導体装置は、上記の構成のほかに、半導体基板の終端領域の表面から深部に伸びている終端領域内の終端トレンチと、終端領域内のトレンチの底面を囲む範囲に形成されている終端領域内の第２導電型不純物の含有領域を備えていることが好ましい。この場合、終端トレンチの内部には絶縁体が充填されている。
終端領域内にも不純物含有領域を形成することによって、空乏層を終端領域にまで伸ばすことができる。その結果、半導体装置の終端領域でも高耐圧化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、低耐圧用の半導体装置であって、理論的限界に迫るほどに高い耐圧と低いオン抵抗を兼ね備えた半導体装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
下記に説明する実施例の好ましい特徴を列記する。
（第１特徴）  不純物含有領域の上端をドリフト領域の中間深さより浅い位置に形成する。
【実施例】
【００１７】
（第１実施例）
図１に、第１実施例であるパワーＭＯＳ（縦型半導体装置）１００の断面図と、パワーＭＯＳ１００における電界強度プロファイルを表すグラフを示す。
パワーＭＯＳ１００は、半導体基板２の表面に形成されている表面電極１２と、半導体基板２の裏面に形成されている裏面電極２２を備えており、縦型である。半導体基板２内には、ソース領域１４と、ボディ領域８と、ボディコンタクト領域１０と、ドリフト領域６と、ドレイン領域４が形成されている。ソース領域１４は、第１導電型（ｎ型）であり、半導体基板２の表面に臨む位置に形成されており、表面電極１２に導通している。ドリフト領域６は、第１導電型（ｎ型）であり、半導体基板２の裏面側に形成されており、第１導電型（ｎ型）のドレイン領域４を介して、裏面電極２２に導通している。ボディ領域８は、第２導電型（ｐ型）であり、ソース領域１４とドリフト領域６を分離している。ボディコンタクト領域１０は、第２導電型（ｐ型）の不純物を高濃度に含有し、ボディ領域８の電位を表面電極１２の電位によって安定させる。ドレイン領域４は、第１導電型（ｎ型）の不純物を高濃度に含有し、裏面電極２２との接触抵抗を低下させる。半導体基板２の表面からソース領域１４とボディ領域８を貫通してドリフト領域６に達するまで伸びているトレンチ１７が形成されている。トレンチ１７の壁面（底面１７ａと側面１７ｂ）は絶縁層１８で被覆されている。トレンチ１７内には、トレンチゲート電極１６が形成されている。耐圧性能を向上させるために、トレンチ１７の底面１７ａを囲む範囲に、第２導電型（ｐ型）不純物の含有領域２０（以下、不純物含有領域２０と記載する）が形成されている。不純物含有領域２０は、ドリフト領域６内に形成されている。正確には、不純物含有領域２０の中心Ｄ２の深さは、ドリフト領域６の中間深さＤ１より深い位置に形成されている。ただし、不純物含有領域２０の上端Ｄ３の深さは、ドリフト領域６の中間深さＤ１より浅い位置に形成されている。トレンチゲート電極１６の底面１６ａは、第２導電型不純物の含有領域２０の内部にまで伸びている。
トレンチ１７の深さは３．２μｍであり、トレンチゲート電極１６の深さは２．９μｍである。不純物含有領域２０は、トレンチ１７の底面１７ａを中心とする半径０．６μｍの円形状に形成されている。
【００１８】
パワーＭＯＳ１００のトレンチゲート電極１６に電圧を印加することによって、ボディ領域８にチャネルを形成することができる。チャネルが形成されれば、ソース領域１４とドレイン領域４との間の導通を制御することができる。パワーＭＯＳ１００は、低耐圧用のデバイスであり、ドリフト領域６のｎ型不純物の濃度が高く、その濃度は、３．０×１０１６／ｃｍ３〜７．５×１０１６／ｃｍ３である。
【００１９】
次に、図１（Ａ）に示すパワーＭＯＳ１００の電界強度プロファイルを表すグラフを，図１（Ｂ）を参照して説明する。グラフの横軸は電界強度（Ｖ／ｃｍ）を示す。グラフの縦軸は半導体基板２の深さ（μｍ）を示し、図１（Ａ）のパワーＭＯＳ１００の断面図で示す深さと対応している。図示Ｅｃは、臨界電界強度を示す。パワーＭＯＳ１００は、トレンチゲート電極１６の底面１６ａに対応する深さに、第１の電界強度ピークＰ１を有している。第１電界強度ピークＰ１は、半導体基板２の表面から２．９μｍの深さに形成されている。また、不純物含有領域２０の下部近傍に対応する深さ２０ａに、第２の電界強度ピークＰ２を有している。第２電界強度ピークＰ２は、半導体基板２の表面から３．５μｍの深さに形成されている。第１ピークＰ１における電界強度と、第２ピークＰ２における電界強度は、いずれも、臨界電界強度Ｅｃに等しい。パワーＭＯＳ１００の耐圧の大きさは、図１（Ｂ）のハッチに示す面積に比例する。図４の（Ｃ）で示した電界強度プロファイルに比して、２つのピークＰ１，Ｐ２にバランスよく分割されており、図１に示すパワーＭＯＳ１００の耐圧は高い。
【００２０】
パワーＭＯＳ１００では、電界強度ピークがＰ１、Ｐ２の２つにバランスよく分割されているため、電界強度ピークが１箇所に集中している場合に比べて、図１（Ｂ）のハッチに示す面積が大きい。ドリフト領域６の不純物濃度を高くしても、高い耐圧性能を得ることができる。低耐圧型の半導体装置を実現する場合には、ドリフト領域６の不純物濃度を十分に高くすることができる。
また、ボディ領域８と不純物含有領域２０の間の距離を十分に離すことができるので、トレンチゲート電極１６に沿ってボディ領域８を通過してきたキャリアが、不純物含有領域２０を迂回しながら裏面電極２２に流れるための有効領域を広く確保することができる。ドリフト領域６の不純物濃度を十分に高いことと、キャリアの流動経路を広く確保できることがあいまって、低オン抵抗を実現することができる。パワーＭＯＳ１００は、低耐圧型でありながら、耐圧とオン抵抗の両者を理想的なレベルにまで向上することができる。
【００２１】
図２に、トレンチゲート型のパワーＭＯＳにおける、耐圧とオン抵抗のトレードオフカーブを表した図を示す。図２の縦軸は、オン抵抗（ｍΩ・ｍｍ２）を示す。図２の横軸は、耐圧（Ｖ）を示す。また、図２中の曲線は、耐圧とオン抵抗の理論限界を表した曲線を示す。図示Ｅは、不純物含有領域が形成されていない従来の一般的なトレンチゲート型のパワーＭＯＳの測定結果を示す。図示Ｃは、パワーＭＯＳ２００の測定結果を示す。図示Ｆは、本実施例のパワーＭＯＳ１００の測定結果を示す。
図２に示すように、３７Ｖの低耐圧帯において、パワーＭＯＳ１００によると、従来のパワーＭＯＳ２００のオン抵抗の８０％程度にまで低下することができる。
【００２２】
図３に、パワーＭＯＳ１００の終端領域（外周部）の断面図を示す。パワーＭＯＳ１００の終端領域には、半導体基板２の表面から下方に伸びている終端トレンチ２７と、終端トレンチ２７の底面２７ａを囲む範囲に形成されている第２導電型（ｐ型）不純物の含有領域３０が形成されている。終端トレンチ２７の内部には、絶縁体２８ｂが充填されている。半導体基板２の表面には、絶縁層２８ａが堆積している。
【００２３】
パワーＭＯＳ１００の終端領域では、終端トレンチ２７と第２導電型不純物の不純物含有領域３０が形成されていることによって、空乏層を終端領域まで伸ばすことができる。終端領域でも高耐圧化を図ることができる。
【００２４】
パワーＭＯＳ１００では、不純物含有領域２０の上端Ｄ３がドリフト領域６の中間深さＤ１より浅い位置に形成されている。不純物含有領域２０の位置が深すぎると、パワーＭＯＳ１００内のドリフト抵抗が増大し、オン抵抗が上昇する。そのため、不純物含有領域２０の位置は深すぎないことが好ましい。
【００２５】
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】（Ａ）は第１実施例のパワーＭＯＳ１００の断面図を示し、（Ｂ）はパワーＭＯＳ１００の電界強度プロファイルを示す。
【図２】トレンチゲート型のパワーＭＯＳにおける、耐圧とオン抵抗のトレードオフの関係を示す。
【図３】パワーＭＯＳ１００の終端領域の断面図を示す。
【図４】（Ａ）は従来のパワーＭＯＳ２００の断面図をしめし、（Ｂ）はパワーＭＯＳ２００の電界強度プロファイルを示し、（Ｃ）はドリフト領域の不純物濃度を濃くした場合の電界強度プロファイルを示す。
【図５】トレンチゲート型のパワーＭＯＳにおける、耐圧とオン抵抗のトレードオフの関係を示す。
【符号の説明】
【００２７】
２、５２：半導体基板
４、５４：ドレイン領域
６、５６：ドリフト領域
８、５８：ボディ領域
１０、６０：ボディコンタクト領域
１２、６２：表面電極
１４、６４：ソース領域
１６、６６：トレンチゲート電極
１６ａ、６６ａ：トレンチゲート電極の底面
１７、６７：トレンチ
１７ａ、６７ａ：トレンチの底面
１７ｂ：トレンチの側面
１８、２８ａ、６８ａ、６８ｂ：絶縁層
２０、３０、７０：第２導電型不純物の含有領域
２２、７２：裏面電極
２７：終端トレンチ
２７ａ：終端トレンチの底面 
２８ｂ：絶縁体
１００、２００：パワーＭＯＳ（縦型半導体装置）
【図１】
2009194320.tif 000003
【図２】
2009194320.tif 000004
【図３】
2009194320.tif 000005
【図４】
2009194320.tif 000006
【図５】
2009194320.tif 000007