JP2012195394A - Method of manufacturing semiconductor device - Google Patents

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志津江 松田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a semiconductor device allowing reduction in a termination region and processes.SOLUTION: A method of manufacturing a semiconductor device comprises the steps of: simultaneously forming first trenches in an element region in a first-conductivity-type semiconductor layer and a second trench wider than the first trenches in a termination region in the semiconductor layer; burying a second-conductivity-type semiconductor film in the first trenches and forming the second-conductivity-type semiconductor film on the inner wall of the second trench; and injecting a first-conductivity-type impurity into the second-conductivity-type semiconductor film formed on the inner wall of the second trench and forming, inside the inner wall of the second trench, a first-conductivity-type semiconductor region having a lower first-conductivity-type impurity concentration than the semiconductor layer.

Description

本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法に関する。   Embodiments described herein relate generally to a method for manufacturing a semiconductor device.

縦型パワーデバイスのオン抵抗は、ドリフト層の電気抵抗に大きく依存する。そのドリフト層の電気抵抗を決定する不純物濃度には、必要な耐圧を確保する点から限界がある。すなわち、素子耐圧とオン抵抗にはトレードオフの関係が存在する。   The on-resistance of the vertical power device greatly depends on the electric resistance of the drift layer. The impurity concentration that determines the electrical resistance of the drift layer has a limit in terms of securing a required breakdown voltage. That is, there is a trade-off relationship between element breakdown voltage and on-resistance.

この問題を解決する縦型パワーデバイスの一例として、ドリフト層にスーパージャンクション構造と呼ばれるp形ピラーとn形ピラーを設けた構造が知られている。スーパージャンクション構造はp形ピラーとn形ピラーに含まれるチャージ量(不純物量)を同じとすることで、擬似的にノンドープ層を作り出し、高耐圧を保持しつつ、比較的高ドープされたn形ピラーを通して主電流を流すことで低オン抵抗を実現できる。   As an example of a vertical power device that solves this problem, a structure in which a drift layer is provided with a p-type pillar and an n-type pillar called a super junction structure is known. The super junction structure has the same charge amount (impurity amount) contained in the p-type pillar and the n-type pillar, thereby creating a pseudo non-doped layer and maintaining a high breakdown voltage while maintaining a relatively high doping type n-type. Low on-resistance can be achieved by flowing the main current through the pillar.

スーパージャンクション構造を形成する一つの方法として、n形半導体層にトレンチを形成し、そのトレンチ内にp形ピラーとなるp形半導体膜を埋め込む方法がある。   As one method for forming a super junction structure, there is a method in which a trench is formed in an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor film serving as a p-type pillar is embedded in the trench.

また、パワーデバイスでは終端領域にも耐圧が要求されるが、一方、オン動作には寄与しない終端領域には縮小も要求されている。終端領域を縮小するため、終端領域にトレンチを設けたディープトレンチ終端構造が知られている。   Further, in the power device, a withstand voltage is also required for the termination region, but on the other hand, reduction is also required for the termination region that does not contribute to the on operation. In order to reduce the termination region, a deep trench termination structure in which a trench is provided in the termination region is known.

スーパージャンクション構造とディープトレンチ終端構造とを有するデバイスを製造するにあたって、スーパージャンクションのトレンチと、終端領域のトレンチとを別々に形成することは、工程数の増大をまねく。   In manufacturing a device having a super junction structure and a deep trench termination structure, separately forming the super junction trench and the termination region trench leads to an increase in the number of processes.

特開2007−129086号公報JP 2007-129086 A 特開2009−4547号公報JP 2009-4547 A

実施形態によれば、終端領域の縮小及び工程削減が可能な半導体装置の製造方法を提供する。   According to the embodiment, a method of manufacturing a semiconductor device capable of reducing the termination region and reducing the number of processes is provided.

実施形態によれば、半導体装置の製造方法は、素子領域とその外側に形成された終端領域とを有する第1導電形の半導体層における前記素子領域に第1のトレンチを、前記終端領域に前記第1のトレンチよりも幅が広い第2のトレンチを同時に形成する工程を備えている。また、半導体装置の製造方法は、前記第1のトレンチ内に第2導電形半導体膜を埋め込み、且つ前記第2のトレンチの内壁にも前記第2導電形半導体膜を形成する工程を備えている。また、半導体装置の製造方法は、前記第2のトレンチの内壁に形成された前記第2導電形半導体膜に第1導電形不純物を注入し、前記第2のトレンチの内壁に、前記半導体層よりも第1導電形不純物濃度が低い第1導電形半導体領域を形成する工程を備えている。   According to the embodiment, the method of manufacturing a semiconductor device includes a first trench in the element region in the semiconductor layer of the first conductivity type having an element region and a termination region formed outside the element region, and the termination region in the first region. A step of simultaneously forming a second trench having a width wider than that of the first trench. The method for manufacturing a semiconductor device includes a step of burying a second conductivity type semiconductor film in the first trench and forming the second conductivity type semiconductor film on the inner wall of the second trench. . Further, in the method of manufacturing a semiconductor device, a first conductivity type impurity is implanted into the second conductivity type semiconductor film formed on the inner wall of the second trench, and the inner wall of the second trench is formed from the semiconductor layer. Includes a step of forming a first conductivity type semiconductor region having a low first conductivity type impurity concentration.

実施形態の半導体装置の模式図。1 is a schematic diagram of a semiconductor device of an embodiment. 実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the semiconductor device of the embodiment. 実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the semiconductor device of the embodiment. 他の実施形態の半導体装置の模式断面図。The schematic cross section of the semiconductor device of other embodiments. さらに他の実施形態の半導体装置の模式断面図。Furthermore, the schematic cross section of the semiconductor device of other embodiment.

以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。なお、以下の実施形態では第1導電形をn形、第2導電形をp形として説明するが、第1導電形をp形、第2導電形をn形としてもよい。   Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same element in each drawing. In the following embodiments, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. However, the first conductivity type may be p-type and the second conductivity type may be n-type.

また、実施形態の半導体装置は、半導体材料として例えばシリコンを用いている。あるいは、シリコン以外の半導体(例えばSiC、GaN等の化合物半導体)を用いてもよい。   In the semiconductor device of the embodiment, for example, silicon is used as a semiconductor material. Alternatively, a semiconductor other than silicon (for example, a compound semiconductor such as SiC or GaN) may be used.

図1(a)は実施形態の半導体装置の模式断面図であり、図1(b)は同半導体装置における主な要素の平面レイアウトを示す模式平面図である。図1(a)は、図1(b)におけるA−A断面に対応する。   FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of the semiconductor device of the embodiment, and FIG. 1B is a schematic plan view showing a planar layout of main elements in the semiconductor device. FIG. 1A corresponds to the AA cross section in FIG.

実施形態の半導体装置は、半導体層(または基板)における厚さ方向の一方の主面側に設けられた第1の主電極11と、他方の主面側に設けられた第2の主電極21との間を結ぶ縦方向に電流経路が形成される縦型デバイスである。   In the semiconductor device of the embodiment, the first main electrode 11 provided on one main surface side in the thickness direction of the semiconductor layer (or substrate) and the second main electrode 21 provided on the other main surface side. Is a vertical device in which a current path is formed in the vertical direction connecting the two.

本実施形態の半導体装置は、素子領域10と、素子領域10の外側に形成された終端領域30とを有する。図1(b)に示すように、終端領域30は素子領域10の周囲を連続して囲んでいる。   The semiconductor device of this embodiment includes an element region 10 and a termination region 30 formed outside the element region 10. As shown in FIG. 1B, the termination region 30 continuously surrounds the element region 10.

形半導体層(もしくは基板)12の主面上に、n形ピラー13aとp形ピラー14aが設けられている。n形ピラー13aとp形ピラー14aは、n形半導体層12の主面に対して略平行な横方向に交互に隣接(pn接合)して周期的に配列され、いわゆるスーパージャンクション構造20を構成している。 On the main surface of the n + -type semiconductor layer (or substrate) 12, an n-type pillar 13a and a p-type pillar 14a are provided. The n-type pillars 13 a and the p-type pillars 14 a are periodically arranged alternately adjacent to each other in the lateral direction substantially parallel to the main surface of the n + -type semiconductor layer 12 (pn junction), and a so-called super junction structure 20 is formed. It is composed.

n形ピラー13aとp形ピラー14aとの周期的配列構造であるスーパージャンクション構造20は、素子領域10に形成されている。スーパージャンクション構造20の平面パターンは、例えばストライプ状である。あるいは、スーパージャンクション構造20の平面パターンは、格子状や千鳥状に形成してもよい。   A super junction structure 20 that is a periodic arrangement structure of n-type pillars 13 a and p-type pillars 14 a is formed in the element region 10. The planar pattern of the super junction structure 20 is, for example, a stripe shape. Alternatively, the planar pattern of the super junction structure 20 may be formed in a lattice shape or a staggered shape.

スーパージャンクション構造20の上には、p形半導体層14bが設けられている。p形半導体層14bは、各p形ピラー14aの上端に接している。p形半導体層14b上には、第2の主電極21が設けられている。p形半導体層14bは、第2の主電極21とオーミック接触している。したがって、p形ピラー14a及びp形半導体層14bは、第2の主電極21と電気的に接続されている。   On the super junction structure 20, a p-type semiconductor layer 14b is provided. The p-type semiconductor layer 14b is in contact with the upper end of each p-type pillar 14a. A second main electrode 21 is provided on the p-type semiconductor layer 14b. The p-type semiconductor layer 14 b is in ohmic contact with the second main electrode 21. Therefore, the p-type pillar 14 a and the p-type semiconductor layer 14 b are electrically connected to the second main electrode 21.

形半導体層12の裏面には、第1の主電極11が設けられている。n形半導体層12は、第1の主電極11とオーミック接触し電気的に接続されている。 A first main electrode 11 is provided on the back surface of the n + -type semiconductor layer 12. The n + -type semiconductor layer 12 is in ohmic contact with and electrically connected to the first main electrode 11.

p形ピラー14aは、後述するように、n形半導体層13における素子領域10に形成された第1のトレンチt1内に設けられる。n形半導体層13における終端領域30には、第2のトレンチとして終端トレンチt2が設けられている。すなわち、本実施形態の半導体装置は、終端トレンチ構造を有する。   The p-type pillar 14a is provided in a first trench t1 formed in the element region 10 in the n-type semiconductor layer 13, as will be described later. The termination region 30 in the n-type semiconductor layer 13 is provided with a termination trench t2 as a second trench. That is, the semiconductor device of this embodiment has a termination trench structure.

終端トレンチt2の幅は、第1のトレンチt1の幅よりも大きい。終端トレンチt2の内壁(側壁及び底部)には、n形半導体領域15が設けられている。n形半導体領域15は、終端領域30におけるn形半導体層12上に設けられたn形半導体層13に隣接している。n形半導体領域15の側面及び底面は、n形半導体層13で囲まれている。 The width of the termination trench t2 is larger than the width of the first trench t1. An n − type semiconductor region 15 is provided on the inner wall (side wall and bottom) of the termination trench t2. The n − type semiconductor region 15 is adjacent to the n type semiconductor layer 13 provided on the n + type semiconductor layer 12 in the termination region 30. The side surface and the bottom surface of the n − type semiconductor region 15 are surrounded by the n type semiconductor layer 13.

n形半導体層13及びn形ピラー13aのn形不純物濃度はほぼ同じであり、n形半導体領域15のn形不純物濃度は、n形半導体層13及びn形ピラー13aのn形不純物濃度よりも低い。また、n形半導体層12のn形不純物濃度は、n形半導体層13及びn形ピラー13aのn形不純物濃度よりも高い。 n-type impurity concentration of the n-type semiconductor layer 13 and n-type pillar 13a is substantially the same, n - n-type impurity concentration of the type semiconductor region 15 is of n-type impurity concentration of the n-type semiconductor layer 13 and n-type pillar 13a Is also low. Further, the n type impurity concentration of the n + type semiconductor layer 12 is higher than the n type impurity concentration of the n type semiconductor layer 13 and the n type pillar 13a.

終端トレンチt2内におけるn形半導体領域15の内側には、絶縁膜16が形成されている。絶縁膜16は例えばシリコン酸化膜である。 An insulating film 16 is formed inside the n -type semiconductor region 15 in the termination trench t2. The insulating film 16 is a silicon oxide film, for example.

終端トレンチt2内における絶縁膜16の内側には、埋込材として、例えばノンドープの(意図的に不純物がドープされていない)多結晶シリコン17が埋め込まれている。多結晶シリコン17は、電気的にフローティング状態である。   Inside the insulating film 16 in the termination trench t2, for example, non-doped polycrystalline silicon 17 (not intentionally doped with impurities) is buried as a filling material. The polycrystalline silicon 17 is in an electrically floating state.

終端領域30における多結晶シリコン17上、絶縁膜16上およびp形半導体層14b上には、絶縁膜18が設けられている。絶縁膜18は、例えばシリコン酸化膜である。絶縁膜18上には、絶縁材料からなる層間膜19が設けられている。層間膜18は、例えばシリコン酸化膜である。   An insulating film 18 is provided on the polycrystalline silicon 17, the insulating film 16, and the p-type semiconductor layer 14 b in the termination region 30. The insulating film 18 is a silicon oxide film, for example. On the insulating film 18, an interlayer film 19 made of an insulating material is provided. The interlayer film 18 is, for example, a silicon oxide film.

層間膜19上には、例えばポリイミドなどの樹脂からなる絶縁層22が設けられている。絶縁層22は、第2の主電極21の一部を覆っている。第2の主電極21における外部との接続部は、絶縁層22から露出されている。   An insulating layer 22 made of a resin such as polyimide is provided on the interlayer film 19. The insulating layer 22 covers a part of the second main electrode 21. A connection portion of the second main electrode 21 with the outside is exposed from the insulating layer 22.

本実施形態の半導体装置は、第2の主電極21をアノード電極、第1の主電極11をカソード電極とする縦型ダイオードである。すなわち、順方向バイアス時には、相対的に第2の主電極21に高電位が、第1の主電極11に低電位が与えられ、p形半導体層14b、スーパージャンクション構造20、その下のn形半導体層13、およびn形半導体層12を介して、第2の主電極21と第1の主電極11との間の縦方向に主電流が流れる。 The semiconductor device of this embodiment is a vertical diode in which the second main electrode 21 is an anode electrode and the first main electrode 11 is a cathode electrode. That is, at the time of forward bias, a relatively high potential is applied to the second main electrode 21 and a low potential is applied to the first main electrode 11, and the p-type semiconductor layer 14b, the super junction structure 20, and the n-type below the p-type semiconductor layer 14b. A main current flows in the vertical direction between the second main electrode 21 and the first main electrode 11 through the semiconductor layer 13 and the n + -type semiconductor layer 12.

逆方向バイアス時には、相対的に第2の主電極21に低電位が、第1の主電極11に高電位が与えられる。このとき、素子領域10のスーパージャンクション構造20におけるn形ピラー13aとp形ピラー14aとのpn接合から横方向に空乏層が伸び、高耐圧を保持できる。   At the time of reverse bias, a relatively low potential is applied to the second main electrode 21 and a high potential is applied to the first main electrode 11. At this time, the depletion layer extends in the lateral direction from the pn junction of the n-type pillar 13a and the p-type pillar 14a in the super junction structure 20 of the element region 10, and high breakdown voltage can be maintained.

さらに、終端領域30におけるn形半導体層13及びn形半導体領域15と、p形半導体層14bとの界面のpn接合からも空乏層が伸びる。これにより、終端領域30においても高耐圧が得られる。 Further, the depletion layer extends from the pn junction at the interface between the n-type semiconductor layer 13 and the n -type semiconductor region 15 in the termination region 30 and the p-type semiconductor layer 14b. Thereby, a high breakdown voltage can be obtained also in the termination region 30.

また、本実施形態では、終端領域30における終端トレンチt2の側壁及び底部に、n形半導体層13よりもn形不純物濃度が低いn形半導体領域15が設けられている。このため、図1(a)において2点鎖線で表すように、空乏層がより深さ方向に伸びやすくなり、n形半導体領域15と絶縁膜16との界面の電界が緩和され、よりいっそう耐圧を向上できる。 In the present embodiment, the n − type semiconductor region 15 having an n type impurity concentration lower than that of the n type semiconductor layer 13 is provided on the side wall and the bottom of the termination trench t 2 in the termination region 30. For this reason, as shown by a two-dot chain line in FIG. 1A, the depletion layer becomes easier to extend in the depth direction, the electric field at the interface between the n -type semiconductor region 15 and the insulating film 16 is relaxed, and more. The breakdown voltage can be improved.

ウェーハ状態からの切断時の切断面である終端面40は、切断時の影響により破砕され、リーク電流が増大する傾向がある。本実施形態では、終端領域30に終端トレンチt2を形成し、その内部に絶縁膜16及びノンドープの多結晶シリコン17を設けている。このような終端トレンチ構造によって、空乏層が終端面40の破砕部に達する前に空乏層の伸びをストップさせることができる。この結果、終端面40の破砕部を通じた電流リークを回避することができる。また、終端トレンチt2の内壁を絶縁膜16で覆って保護することで、高い信頼性が得られる。   The end surface 40, which is a cut surface at the time of cutting from the wafer state, is crushed due to the influence at the time of cutting, and the leak current tends to increase. In the present embodiment, a termination trench t2 is formed in the termination region 30, and an insulating film 16 and non-doped polycrystalline silicon 17 are provided therein. With such a termination trench structure, the extension of the depletion layer can be stopped before the depletion layer reaches the fracture portion of the termination surface 40. As a result, current leakage through the crushing portion of the end face 40 can be avoided. Moreover, high reliability is obtained by covering and protecting the inner wall of the termination trench t2 with the insulating film 16.

比較例として高抵抗層で終端領域を構成した構造では、空乏層が終端面に達しないようにするため、例えば200(μm)ほどの終端長を必要とする。これに対して、本実施形態のような終端トレンチ構造では、終端長が例えば80〜120(μm)ほどで済む。このため、デバイス(チップ)の小型化を図れる。   As a comparative example, in a structure in which a termination region is formed of a high resistance layer, a termination length of, for example, 200 (μm) is required to prevent the depletion layer from reaching the termination surface. On the other hand, in the termination trench structure as in this embodiment, the termination length is about 80 to 120 (μm), for example. For this reason, size reduction of a device (chip) can be achieved.

次に、図2(a)〜図3(d)を参照して、実施形態の半導体装置の製造方法について説明する。なお、工程図における断面部分は、図1(b)におけるA−A断面に対応する。   Next, with reference to FIGS. 2A to 3D, a method for manufacturing the semiconductor device of the embodiment will be described. In addition, the cross-sectional part in process drawing respond | corresponds to the AA cross section in FIG.

図2(a)は、基板(n形半導体層)12の主面上に、n形半導体層13をエピタキシャル成長させた状態を表す。なお、図2(b)以降の断面図では、基板(n形半導体層)12の図示を省略する。 FIG. 2A shows a state in which the n-type semiconductor layer 13 is epitaxially grown on the main surface of the substrate (n + -type semiconductor layer) 12. In FIG. 2B and subsequent cross-sectional views, the substrate (n + -type semiconductor layer) 12 is not shown.

そして、n形半導体層13の表面に、例えばシリコン酸化膜等を形成した後、それを選択的にエッチングして第1の開口31a及び第2の開口31bを形成し、マスク31を形成する。複数の第1の開口31aが、素子領域10に形成される。第2の開口31bは、第1の開口31aよりも開口幅が大きく、終端領域30に形成される。   Then, for example, a silicon oxide film or the like is formed on the surface of the n-type semiconductor layer 13, and then selectively etched to form the first opening 31a and the second opening 31b, and the mask 31 is formed. A plurality of first openings 31 a are formed in the element region 10. The second opening 31 b has a larger opening width than the first opening 31 a and is formed in the termination region 30.

次に、マスク31を用いて例えばRIE(Reactive Ion Etching)法により、n形半導体層13をエッチングする。これにより、図2(b)に示すように、第1のトレンチt1と、第2のトレンチである終端トレンチt2とが同時に形成される。第1のトレンチt1は第1の開口31aの下に形成される。第2のトレンチt2は第2の開口31bの下に形成される。図2(c)は、トレンチt1及びt2形成後の上面図に対応する。   Next, the n-type semiconductor layer 13 is etched using the mask 31 by, for example, RIE (Reactive Ion Etching). Thereby, as shown in FIG. 2B, a first trench t1 and a termination trench t2 which is a second trench are formed simultaneously. The first trench t1 is formed under the first opening 31a. The second trench t2 is formed under the second opening 31b. FIG. 2C corresponds to a top view after the trenches t1 and t2 are formed.

複数の第1のトレンチt1が、例えばストライプ状に、素子領域10に形成される。終端トレンチt2は、図2(c)に示すように、素子領域10を連続して囲んで形成される。終端トレンチt2の幅bは、第1のトレンチt1の幅aよりも大きい。素子領域10におけるn形半導体層13において、第1のトレンチt1に隣接する部分がn形ピラー13aとなる。   A plurality of first trenches t1 are formed in the element region 10, for example, in a stripe shape. The termination trench t2 is formed so as to continuously surround the element region 10 as shown in FIG. The width b of the termination trench t2 is larger than the width a of the first trench t1. In the n-type semiconductor layer 13 in the element region 10, a portion adjacent to the first trench t1 becomes an n-type pillar 13a.

次に、第1のトレンチt1内及び終端トレンチt2内に、例えばエピタキシャル成長法で、p形半導体膜を形成する。p形半導体膜は第1のトレンチt1内を埋め、図3(a)に示すように、p形ピラー14aとなる。終端トレンチt2は第1のトレンチt1よりも幅が大きい。そのため、終端トレンチt2内のp形半導体膜14cは終端トレンチt2の内壁(側壁及び底壁)に沿って形成され、終端トレンチt2内におけるp形半導体膜14cの内側には空洞が残る。p形ピラー14a及びp形半導体膜14cは同時に形成される。   Next, a p-type semiconductor film is formed in the first trench t1 and the termination trench t2 by, for example, an epitaxial growth method. The p-type semiconductor film fills the inside of the first trench t1, and becomes a p-type pillar 14a as shown in FIG. The termination trench t2 is wider than the first trench t1. Therefore, the p-type semiconductor film 14c in the termination trench t2 is formed along the inner wall (side wall and bottom wall) of the termination trench t2, and a cavity remains inside the p-type semiconductor film 14c in the termination trench t2. The p-type pillar 14a and the p-type semiconductor film 14c are formed simultaneously.

次に、図3(b)に示すように、終端トレンチt2以外の表面をマスク32で覆った後、終端トレンチt2の内壁に形成されたp形半導体膜14cに対してイオン注入法でn形不純物(例えばリン)を注入する。   Next, as shown in FIG. 3B, after covering the surface other than the termination trench t2 with a mask 32, the n-type is formed by ion implantation on the p-type semiconductor film 14c formed on the inner wall of the termination trench t2. Impurities (for example, phosphorus) are implanted.

基板(n形半導体層)12の主面に対して傾斜した方向にイオン注入が行われる。これにより、終端トレンチt2の側壁に形成されたp形半導体膜14cに対してn形不純物が注入される。さらに、終端トレンチt2は幅が広いため、終端トレンチt2の底面上のp形半導体膜14cにもn形不純物が注入される。 Ion implantation is performed in a direction inclined with respect to the main surface of the substrate (n + -type semiconductor layer) 12. As a result, an n-type impurity is implanted into the p-type semiconductor film 14c formed on the sidewall of the termination trench t2. Furthermore, since the termination trench t2 is wide, an n-type impurity is also implanted into the p-type semiconductor film 14c on the bottom surface of the termination trench t2.

イオン注入の後、アニールを行い、注入されたn形不純物を拡散させる。これにより、p形半導体膜14cがn形に反転し、図3(b)に示すように、終端トレンチt2の内壁にn形半導体領域15が形成される。n形半導体領域15のn形不純物濃度がn形半導体層13のn形不純物濃度よりも低くなるよう、n形不純物のドーズ量は設定される。 After the ion implantation, annealing is performed to diffuse the implanted n-type impurity. As a result, the p-type semiconductor film 14c is inverted to the n-type, and as shown in FIG. 3B, the n -type semiconductor region 15 is formed on the inner wall of the termination trench t2. n - so that the n-type impurity concentration of the type semiconductor region 15 is lower than the n-type impurity concentration of the n-type semiconductor layer 13, the dose of n-type impurity is set.

次に、図3(c)に示すように、終端トレンチt2内におけるn形半導体領域15の内側に、絶縁膜16を形成する。絶縁膜16は、例えば熱酸化法で形成されるシリコン酸化膜である。終端トレンチt2は幅が広いため、熱酸化法により形成される絶縁膜(酸化膜)16では終端トレンチt2内は埋まらない。 Next, as shown in FIG. 3C, the insulating film 16 is formed inside the n -type semiconductor region 15 in the termination trench t2. The insulating film 16 is a silicon oxide film formed by, for example, a thermal oxidation method. Since the termination trench t2 is wide, the interior of the termination trench t2 is not filled with the insulating film (oxide film) 16 formed by the thermal oxidation method.

次に、図3(d)に示すように、終端トレンチt2内における絶縁膜16の内側に、埋込材としてノンドープの多結晶シリコン17を埋め込む。終端トレンチt2内に残っていた空洞は多結晶シリコン17で埋め込まれる。多結晶シリコン17は、埋め込み性に優れ、周辺にストレスやひずみを与えることなく、容易に終端トレンチt2内に埋め込むことができる。   Next, as shown in FIG. 3D, non-doped polycrystalline silicon 17 is embedded as an embedded material inside the insulating film 16 in the termination trench t2. The cavity remaining in the termination trench t2 is filled with polycrystalline silicon 17. The polycrystalline silicon 17 is excellent in embeddability and can be easily embedded in the termination trench t2 without applying stress or strain to the periphery.

次に、終端トレンチt2以外の表面上に残っている多結晶シリコン17を例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing)法で除去した後、n形半導体層13の表面側に、図1(a)に示すp形半導体層14bを形成する。例えば、熱酸化膜を形成し、n形半導体層13の表面に対してp形不純物(例えばボロン)をイオン注入した後、アニールで拡散させることで、p形半導体層14bが形成される。   Next, after removing the polycrystalline silicon 17 remaining on the surface other than the termination trench t2 by, for example, a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method, the p shown in FIG. A shaped semiconductor layer 14b is formed. For example, a p-type semiconductor layer 14b is formed by forming a thermal oxide film, ion-implanting p-type impurities (for example, boron) into the surface of the n-type semiconductor layer 13, and then diffusing by annealing.

その後、電極や、終端トレンチ構造上の絶縁膜などが形成される。   Thereafter, an electrode, an insulating film on the termination trench structure, and the like are formed.

本実施形態によれば、スーパージャンクション構造と終端トレンチ構造とを有する半導体装置を製造するにあたって、素子領域10の第1のトレンチt1と、終端領域30の終端トレンチt2とを同時に形成する。このため、第1のトレンチt1と終端トレンチt2とを別々に形成する場合に比べて、工程数を削減できる。   According to this embodiment, when manufacturing a semiconductor device having a super junction structure and a termination trench structure, the first trench t1 in the element region 10 and the termination trench t2 in the termination region 30 are formed simultaneously. For this reason, the number of processes can be reduced as compared with the case where the first trench t1 and the termination trench t2 are formed separately.

さらに、それらトレンチt1及びt2を形成した後、トレンチt1及びt2内にp形半導体膜を形成する。トレンチt1内のp形半導体膜はそのまま残されてp形ピラー14aとなる。終端トレンチt2内に形成されたp形半導体膜14cに対してはn形不純物を注入することでn形に反転させる。さらに、そのn形に反転された膜は、n形ピラー13a及び終端領域30のn形半導体層13よりもn形不純物濃度が低いn形半導体領域15となる。このため、前述したように、逆バイアス時に終端領域30で空乏層が深さ方向に伸びやすくなり、高耐圧が得られる。 Further, after forming the trenches t1 and t2, a p-type semiconductor film is formed in the trenches t1 and t2. The p-type semiconductor film in the trench t1 is left as it is to become the p-type pillar 14a. The p-type semiconductor film 14c formed in the termination trench t2 is inverted to the n-type by implanting an n-type impurity. Further, the film inverted to the n-type becomes an n -type semiconductor region 15 having an n-type impurity concentration lower than that of the n-type pillar 13 a and the n-type semiconductor layer 13 in the termination region 30. For this reason, as described above, the depletion layer easily extends in the depth direction in the termination region 30 at the time of reverse bias, and a high breakdown voltage is obtained.

前述した工程において、p形半導体層14bを形成した後、終端トレンチt2内から多結晶シリコン17を除去して、図4(a)及び(b)に示すように、終端トレンチt2内における絶縁膜16の内側に、埋込材として、層間膜(例えばシリコン酸化膜)19及び絶縁層(例えば樹脂)22を埋め込んでもよい。   In the process described above, after the p-type semiconductor layer 14b is formed, the polycrystalline silicon 17 is removed from the termination trench t2, and the insulating film in the termination trench t2 is removed as shown in FIGS. An interlayer film (for example, a silicon oxide film) 19 and an insulating layer (for example, a resin) 22 may be embedded inside the 16 as an embedded material.

それら層間膜19及び絶縁層22は、図4(b)に示すように、終端トレンチt2内を完全に埋め込んでもよいし、あるいは、図4(a)に示すように、絶縁層22の内側に空洞が残ってもかまわない。   The interlayer film 19 and the insulating layer 22 may be completely embedded in the termination trench t2 as shown in FIG. 4B, or inside the insulating layer 22 as shown in FIG. 4A. It does not matter if a cavity remains.

図1(a)では、p形ピラー14aの底部及び終端トレンチt2の底部が、n形半導体層13内に位置し、n形半導体層12に達していない構造を示した。しかしながら、その構造に限ることなく、図5(a)に示すように、p形ピラー14a及び終端トレンチt2が、n形半導体層12に達していてもよい。
また、図4(a)、図4(b)、さらには以下に説明する図5(b)の構造においても、p形ピラー14a及び終端トレンチt2がn形半導体層12に達していてもよい。
1A shows a structure in which the bottom of the p-type pillar 14a and the bottom of the termination trench t2 are located in the n-type semiconductor layer 13 and do not reach the n + -type semiconductor layer 12. FIG. However, the structure is not limited to this, and the p-type pillar 14a and the termination trench t2 may reach the n + -type semiconductor layer 12 as shown in FIG.
4A, 4B, and FIG. 5B described below, even if the p-type pillar 14a and the termination trench t2 reach the n + -type semiconductor layer 12. Good.

次に、図5(b)は、他の実施形態の半導体装置を示す。この半導体装置における素子領域10には、プレーナMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)が形成されている。   Next, FIG. 5B shows a semiconductor device according to another embodiment. A planar MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) is formed in the element region 10 of the semiconductor device.

本実施形態においても、素子領域10における、n形半導体層(もしくは基板)12の主面上に、n形ピラー13aとp形ピラー14aとの周期的配列構造であるスーパージャンクション構造20が設けられている。 Also in the present embodiment, a super junction structure 20 that is a periodic arrangement structure of n-type pillars 13 a and p-type pillars 14 a is provided on the main surface of the n + -type semiconductor layer (or substrate) 12 in the element region 10. It has been.

p形ピラー14aの上には、p形ベース層14dが設けられている。p形ベース層14dの表面には、n形のソース領域41が選択的に設けられている。ソース領域41は、n形ピラー13aよりもn形不純物濃度が高い。 A p-type base layer 14d is provided on the p-type pillar 14a. On the surface of the p-type base layer 14d, an n + -type source region 41 is selectively provided. The source region 41 has an n-type impurity concentration higher than that of the n-type pillar 13a.

n形ピラー13aからp形ベース層14dを経てソース領域41の一部に至る部分の上には、ゲート絶縁膜42が設けられ、その上にゲート電極43が設けられている。   A gate insulating film 42 is provided on a portion from the n-type pillar 13a through the p-type base layer 14d to a part of the source region 41, and a gate electrode 43 is provided thereon.

ソース領域41の表面上には第2の主電極21が設けられ、ソース領域41は第2の主電極21とオーミック接触し電気的に接続されている。ゲート電極43と第2の主電極21との間には、層間絶縁膜44が設けられている。   A second main electrode 21 is provided on the surface of the source region 41, and the source region 41 is in ohmic contact with and electrically connected to the second main electrode 21. An interlayer insulating film 44 is provided between the gate electrode 43 and the second main electrode 21.

終端領域30の構造は、図1(a)、図4(a)または図4(b)と同じである。   The structure of the termination region 30 is the same as that of FIG. 1A, FIG. 4A, or FIG.

本実施形態の半導体装置において、相対的に、第1の主電極11に高電位、第2の主電極21に低電位が印加された状態で、ゲート電極43に所望のゲート電位が印加されると、p形ベース層14dにおけるゲート絶縁膜42との界面付近に反転層(nチャネル)が形成される。例えば、グランド電位または負電位が印加される第2の主電極21の電位に対して正電位がゲート電極43に印加される。第1の主電極11には、ゲート電位よりも高い正電位が印加される。   In the semiconductor device of the present embodiment, a desired gate potential is applied to the gate electrode 43 while a relatively high potential is applied to the first main electrode 11 and a low potential is applied to the second main electrode 21. Then, an inversion layer (n channel) is formed in the vicinity of the interface with the gate insulating film 42 in the p-type base layer 14d. For example, a positive potential is applied to the gate electrode 43 with respect to the potential of the second main electrode 21 to which a ground potential or a negative potential is applied. A positive potential higher than the gate potential is applied to the first main electrode 11.

これにより、ソース領域41、nチャネル、n形ピラー13aおよびn形半導体層12を介して、第2の主電極21と第1の主電極11間に電流が流れ、オン状態になる。 As a result, a current flows between the second main electrode 21 and the first main electrode 11 via the source region 41, the n-channel, the n-type pillar 13a, and the n + -type semiconductor layer 12 to be turned on.

ゲートオフ時には、素子領域10のスーパージャンクション構造20におけるn形ピラー13aとp形ピラー14aとのpn接合から横方向に空乏層が伸び、高耐圧を保持できる。さらに、終端領域30におけるn形半導体層13及びn形半導体領域15と、最外p形ベース層14eとの界面のpn接合からも空乏層が伸びる。これにより、終端領域30においても高耐圧が得られる。最外p形ベース層14eは、p形ベース層14dと同時に形成される。 When the gate is turned off, a depletion layer extends laterally from the pn junction between the n-type pillar 13a and the p-type pillar 14a in the super junction structure 20 in the element region 10, and a high breakdown voltage can be maintained. Further, the depletion layer extends from the pn junction at the interface between the n-type semiconductor layer 13 and the n -type semiconductor region 15 in the termination region 30 and the outermost p-type base layer 14 e. Thereby, a high breakdown voltage can be obtained also in the termination region 30. The outermost p-type base layer 14e is formed simultaneously with the p-type base layer 14d.

本実施形態においても、終端領域30における終端トレンチt2の側壁及び底部に、n形半導体層13よりもn形不純物濃度が低いn形半導体領域15が設けられている。このため、空乏層がより深さ方向に伸びやすくなり、n形半導体領域15と絶縁膜16との界面の電界が緩和され、よりいっそう耐圧を向上できる。 Also in this embodiment, the n -type semiconductor region 15 having an n-type impurity concentration lower than that of the n-type semiconductor layer 13 is provided on the side wall and the bottom of the termination trench t 2 in the termination region 30. For this reason, the depletion layer becomes easier to extend in the depth direction, the electric field at the interface between the n -type semiconductor region 15 and the insulating film 16 is relaxed, and the breakdown voltage can be further improved.

また、終端トレンチ構造によって、空乏層が終端面40の破砕部に達する前に空乏層の伸びをストップさせることができる。この結果、終端面40の破砕部を通じた電流リークを回避することができる。また、終端トレンチt2の内壁を絶縁膜16で覆って保護することで、高い信頼性が得られる。   Further, the termination trench structure can stop the extension of the depletion layer before the depletion layer reaches the fracture portion of the termination surface 40. As a result, current leakage through the crushing portion of the end face 40 can be avoided. Moreover, high reliability is obtained by covering and protecting the inner wall of the termination trench t2 with the insulating film 16.

また、本実施形態においても、スーパージャンクション構造と終端トレンチ構造とを有する半導体装置を製造するにあたって、素子領域10の第1のトレンチt1と、終端領域30の終端トレンチt2とを同時に形成する。このため、第1のトレンチt1と終端トレンチt2とを別々に形成する場合に比べて、工程数を削減できる。   Also in this embodiment, when manufacturing a semiconductor device having a super junction structure and a termination trench structure, the first trench t1 in the element region 10 and the termination trench t2 in the termination region 30 are formed simultaneously. For this reason, the number of processes can be reduced as compared with the case where the first trench t1 and the termination trench t2 are formed separately.

さらに、それらトレンチt1及びt2を形成した後、トレンチt1及びt2内にp形半導体膜を形成する。トレンチt1内のp形半導体膜はそのまま残されてp形ピラー14aとなる。終端トレンチt2内に形成されたp形半導体膜14cに対してはn形不純物を注入することでn形に反転させる。さらに、そのn形に反転された膜は、n形ピラー13a及び終端領域30のn形半導体層13よりもn形不純物濃度が低いn形半導体領域15となる。このため、ゲートオフ時に終端領域30で空乏層が深さ方向に伸びやすくなり、高耐圧が得られる。 Further, after forming the trenches t1 and t2, a p-type semiconductor film is formed in the trenches t1 and t2. The p-type semiconductor film in the trench t1 is left as it is to become the p-type pillar 14a. The p-type semiconductor film 14c formed in the termination trench t2 is inverted to the n-type by implanting an n-type impurity. Further, the film inverted to the n-type becomes an n -type semiconductor region 15 having an n-type impurity concentration lower than that of the n-type pillar 13 a and the n-type semiconductor layer 13 in the termination region 30. For this reason, the depletion layer easily extends in the depth direction in the termination region 30 when the gate is turned off, and a high breakdown voltage is obtained.

図5(b)では、プレーナMOSFETを例に挙げたが、トレンチゲートMOSFET、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であってもよい。IGBTの場合、n形半導体層(ドレイン層)12を、p形半導体層(コレクタ層)に置き換えればよい。 In FIG. 5B, the planar MOSFET is taken as an example, but a trench gate MOSFET or an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) may be used. In the case of IGBT, the n + type semiconductor layer (drain layer) 12 may be replaced with a p + type semiconductor layer (collector layer).

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

10…素子領域、11…第1の主電極、12…n形半導体層、13…n形半導体層、13a…n形ピラー、14a…p形ピラー、15…n形半導体領域、16…絶縁膜、17…多結晶シリコン、21…第2の主電極、30…終端領域、40…終端面、t1…第1のトレンチ、t2…終端トレンチ 10 ... device region 11 ... first main electrode, 12 ... n + -type semiconductor layer, 13 ... n-type semiconductor layer, 13a ... n-type pillar, 14a ... p-type pillar, 15 ... n - type semiconductor region, 16 ... Insulating film, 17 ... polycrystalline silicon, 21 ... second main electrode, 30 ... termination region, 40 ... termination surface, t1 ... first trench, t2 ... termination trench

Claims (5)

素子領域とその外側に形成された終端領域とを有する第1導電形の半導体層における前記素子領域に第1のトレンチを、前記終端領域に前記第1のトレンチよりも幅が広い第2のトレンチを同時に形成する工程と、
前記第1のトレンチ内に第2導電形半導体膜を埋め込み、且つ前記第2のトレンチの内壁にも前記第2導電形半導体膜を形成する工程と、
前記第2のトレンチの内壁に形成された前記第2導電形半導体膜に第1導電形不純物を注入し、前記第2のトレンチの内壁に、前記半導体層よりも第1導電形不純物濃度が低い第1導電形半導体領域を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the first conductivity type semiconductor layer having an element region and a termination region formed outside the element region, a first trench is formed in the element region, and a second trench having a width wider than that of the first trench in the termination region. Forming simultaneously,
Burying a second conductivity type semiconductor film in the first trench and forming the second conductivity type semiconductor film on an inner wall of the second trench;
A first conductivity type impurity is implanted into the second conductivity type semiconductor film formed on the inner wall of the second trench, and the first conductivity type impurity concentration is lower than the semiconductor layer on the inner wall of the second trench. Forming a first conductivity type semiconductor region;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記第2のトレンチ内における前記第1導電形半導体領域の内側に絶縁膜を形成する工程をさらに備えたことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。   2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising a step of forming an insulating film inside the first conductivity type semiconductor region in the second trench. 前記第2のトレンチ内における前記絶縁膜の内側に、埋込材を形成する工程をさらに備えたことを特徴とする請求項2記載の半導体装置の製造方法。   3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2, further comprising a step of forming a filling material inside the insulating film in the second trench. 前記埋込材としてノンドープシリコンを埋め込むことを特徴とする請求項3記載の半導体装置の製造方法。   4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein non-doped silicon is embedded as the embedded material. 前記埋込材として絶縁物を埋め込むことを特徴とする請求項3記載の半導体装置の製造方法。   4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein an insulator is embedded as the embedded material.
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