JP2012064652A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、トレンチゲート型MOS電界効果トランジスタを含む半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device including a trench gate type MOS field effect transistor.
近年、多種多様な携帯機器が流通するようになり、その電源には高エネルギー密度を有し、メモリー効果が発生しないLiイオン電池が多用されている。それに伴い、Liイオン電池の過充電、過放電を検出する保護用ICも必須となっている。例えば、携帯電話向けのLiイオン電池に関しては、3.6V程度の電池電圧となるが、充電する際は20V以上の電圧がかかる事になり、ICとしては高耐圧を有する素子を含むことが要求される。 In recent years, a wide variety of portable devices have been distributed, and Li-ion batteries that have a high energy density and do not generate a memory effect are frequently used as power sources. Accordingly, a protection IC for detecting overcharge and overdischarge of the Li ion battery has become essential. For example, a Li-ion battery for a mobile phone has a battery voltage of about 3.6V, but when charged, a voltage of 20V or more is applied, and the IC is required to include an element having a high breakdown voltage. Is done.
この際、CMOSトランジスタプロセスで上記ICの仕様を満たそうとした場合、低耐圧に適したMOSトランジスタおよび高耐圧に適したMOSトランジスタを形成する必要がある。なぜなら、高耐圧素子はその仕様を満たす為には素子サイズをある程度大きくする必要があり、ICの全体を高耐圧素子で構成した場合、最終的なチップサイズが増大し、コスト競争力のないICとなり、市場の価格に対する要求を満たすことは困難になってしまうからである。その為、高電圧が印加される回路部分に高耐圧素子を使用し、その他の回路領域は低耐圧素子を使用することでチップサイズを抑制している。さらには、保護ICにパワーMOS電界効果トランジスタ(以下パワーMOSFETと略す)を内蔵することで、さらなるチップサイズ縮小とともに、パワーMOSFETのオン抵抗低減が要求されている。 At this time, if the CMOS transistor process is to satisfy the above IC specifications, it is necessary to form a MOS transistor suitable for a low breakdown voltage and a MOS transistor suitable for a high breakdown voltage. This is because, in order to satisfy the specifications of the high voltage element, it is necessary to increase the element size to some extent. When the entire IC is composed of the high voltage element, the final chip size increases and the IC is not cost competitive. This makes it difficult to meet the market price requirements. Therefore, a high voltage element is used for a circuit portion to which a high voltage is applied, and a chip size is suppressed by using a low voltage element in other circuit areas. Furthermore, by incorporating a power MOS field effect transistor (hereinafter abbreviated as a power MOSFET) in the protection IC, it is required to further reduce the chip size and reduce the on-resistance of the power MOSFET.
ここで、パワーMOSFETのオン抵抗は、約50mΩの低抵抗が求められるため、パワーMOSFETがチップ全体に占める割合は非常に大きく、パワーMOSFETの性能向上がチップサイズの縮小に大きく貢献する。 Here, since the on-resistance of the power MOSFET is required to be as low as about 50 mΩ, the ratio of the power MOSFET to the entire chip is very large, and the performance improvement of the power MOSFET greatly contributes to the reduction of the chip size.
そこで、パワーMOSFETに焦点を当てると、その回路は、図1に示すように2つのN型パワーMOSFETのドレイン同士を短絡させたものを用いることがある。図3の断面図に示すように、ドレイン電極をN型埋め込み層2で形成し、かつドレイン同士をN型埋め込み層2で短絡させ、かつトレンチゲート7a、7bをゲート電極材料9a、9bで完全に埋め込むトレンチゲート型MOSFETを用いて前記回路を構成した場合、N型埋め込み層2の寄生抵抗成分を減らすために、MOSFET間の距離は短いことが望ましい。しかし、MOSFETのP型ウェル5a、5b間のパンチスルー耐圧を確保する必要があるため、MOSFET間の距離を十分に開け、そこにN型緩和層4を設けた構造としている。
Therefore, when focusing on the power MOSFET, the circuit in which the drains of two N-type power MOSFETs are short-circuited as shown in FIG. 1 may be used. As shown in the cross-sectional view of FIG. 3, the drain electrode is formed by the N-type buried
トレンチゲート型MOSFETのP型ウェル5間のパンチスルー耐圧を確保するために、P型ウェル5a、5b間にN型緩和層4を設ける場合、P型ウェル5a、5bとN型緩和層4間のアバランシェブレークダウンを起こさないようにするため、N型緩和層4の濃度を薄くしなければならず、それにより、P型ウェル5a、5b間の距離を大きく開ける必要がある。P型ウェル5a、5b間の距離を大きく開けると、面積効率が悪化し、チップサイズの増大を招く。また、P型ウェル5a、5b間の距離が離れることで、トレンチゲート型MOSFETのドレイン同士を接続しているN型高濃度埋め込み層2の距離が長くなり、ドレイン抵抗が高くなるため、トレンチゲート型MOSFETの性能を落とすことになる。
When the N-
本発明は、トレンチゲート7をゲート電極材料9a、9bで完全に埋め込むトレンチゲート型MOSFETにおいて、パフォーマンスに優れた半導体回路装置を提供することを目的とする。
An object of the present invention is to provide a semiconductor circuit device having excellent performance in a trench gate type MOSFET in which the trench gate 7 is completely filled with the
上記の課題を解決するために、本発明は以下の手段を用いた。
(1)第1の導電型のウェル層内に形成された第2の導電型のウェル層が、ゲート電極材料で埋設された格子状のトレンチ溝で囲まれたトレンチゲート型MOSFETであって、トレンチ溝の側面と第2の導電型のウェル層との間に形成される第1の絶縁膜が、トレンチ溝の側面と前記第1の導電型のウェル層との間に形成される第2の絶縁膜よりも薄いことを特徴とする半導体装置とした。
(2)(1)記載の半導体装置において、第1の絶縁膜の膜厚が20nm以下で、第2の絶縁膜の膜厚が20nmより厚いことを特徴とする半導体装置とした。
(3)(1)および(2)記載の半導体装置において、ゲート電極材料がポリシリコンであることを特徴とする半導体装置とした。
In order to solve the above problems, the present invention uses the following means.
(1) A trench gate type MOSFET in which a second conductivity type well layer formed in a first conductivity type well layer is surrounded by a grid-like trench groove embedded in a gate electrode material, A first insulating film formed between the side surface of the trench groove and the second conductivity type well layer is formed between the side surface of the trench groove and the first conductivity type well layer. The semiconductor device is characterized by being thinner than the insulating film.
(2) The semiconductor device described in (1) is characterized in that the first insulating film has a thickness of 20 nm or less and the second insulating film has a thickness greater than 20 nm.
(3) The semiconductor device described in (1) and (2) is characterized in that the gate electrode material is polysilicon.
請求項1に記載の本発明によれば、トレンチ溝をゲート電極材料で埋設するトレンチゲート型MOSFETにおいて、P型ウェル層をトレンチ溝で囲むことにより、MOSFETのP型ウェル間のパンチスルー耐圧が向上し、MOSFET間の距離を最大でトレンチ溝の最小ピッチまで縮めることができる。これにより、MOSFET間の距離を短くすることができるため、チップサイズが小さく、かつ性能が優れた半導体回路装置を提供することができる。 According to the first aspect of the present invention, in the trench gate type MOSFET in which the trench groove is embedded with the gate electrode material, the punch-through breakdown voltage between the P type wells of the MOSFET is increased by surrounding the P type well layer with the trench groove. And the distance between the MOSFETs can be reduced to the minimum pitch of the trench grooves. Thereby, since the distance between MOSFETs can be shortened, a semiconductor circuit device having a small chip size and excellent performance can be provided.
以下、本発明による半導体装置について、図2の本発明の実施例である半導体回路装置の概略断面図を用いて説明を行なう。なお、以下の説明においては、Nチャネル型のMOSFETを例に説明を行う。 Hereinafter, the semiconductor device according to the present invention will be described with reference to the schematic cross-sectional view of the semiconductor circuit device according to the embodiment of the present invention shown in FIG. In the following description, an N-channel MOSFET will be described as an example.
P型半導体基板1上に、高濃度のドレインとなるN型埋め込み層2と、P型エピタキシャル層3が形成されている。P型エピタキシャル層3表面には、低濃度のドレインとなるN型ウェル層4がN型埋め込み層2に届くように形成され、さらに、N型ウェル層4の内部には、ゲート電極材料9a、9bで埋設されたトレンチ溝7a、7bとチャネル領域を構成するP型ウェル層5a、5bが形成されていて、P型ウェル層5a、5bはトレンチ溝7a、7bに囲まれている。第1のゲート酸化膜8a、8bは、トレンチ溝内のP型ウェル層5a、5bと接する側に形成され、第2のゲート酸化膜14a、14bは、トレンチ溝内のN型ウェル層4と接する側に形成されていて、酸化膜厚は第2のゲート酸化膜14a、14bの方が第1のゲート酸化膜8a、8bよりも厚い。P型ウェル層5a、5bの内部には、選択的にN++型ソース層10a、10bとP++型ボディコンタクト層13a、13bが形成されている。図示はしないが、P型エピタキシャル層3の表面に中間絶縁膜が形成され、各MOSFETのN++型高濃度のソース層10a、10b、P++型高濃度のボディコンタクト層13a、13b、ゲート電極材料9a、9b上にコンタクトホールが形成され、さらに、コンタクトホールを介して金属によってゲート電極及びソース電極が形成されている。ここで、N++型ソース層10a、10bとP++型ボディコンタクト層13a、13bはそれぞれソース電極で短絡されている。
On the P-type semiconductor substrate 1, an N-type buried
実施の形態にかかるトレンチゲート型MOSFETの動作について説明する。当該トレンチゲート型MOSFETは、ゲート電極材料9a、9bに接続されたゲート電極に閾値電圧Vt以上の電圧が印加されると、第一のトレンチ溝7の側壁に接するP型ウェル層5a、5bが反転してチャネルとなり、ドレイン電流が流れる。
An operation of the trench gate type MOSFET according to the embodiment will be described. In the trench gate type MOSFET, when a voltage equal to or higher than the threshold voltage Vt is applied to the gate electrodes connected to the
図1に示す回路におけるトレンチゲート型MOSFETの動作について詳細に説明する。第1のMOSFETと第2のMOSFETはドレイン同士が短絡しており、オン時の電流経路としては、例えば第1のMOSFETのゲート電極9aと第2のP++型高濃度ボディコンタクト層13bに順バイアスを印加した場合、第1のMOSFETのN++型ソース層10a、チャネル領域、N型ウェル層4、N型埋め込み層2、N型ウェル層4、第2のMOSFETのP型ウェル層5b、P++型高濃度ボディコンタクト層13bが存在する。また、第1のMOSFETのゲート電極9aに電圧を加えず、P++型高濃度ボディコンタクト層13bに順バイアスを印加した場合はオフとなり、P型ウェル層5aと5b間に高電圧をかけることが可能で、この時の耐圧は、N型ウェル層4とP型ウェル層5aからなるPN接合耐圧、あるいはP型ウェル層5b、N型ウェル層4、P型ウェル層5aからなる寄生のバイポーラトランジスタのパンチスルー耐圧によって決まる。
The operation of the trench gate type MOSFET in the circuit shown in FIG. 1 will be described in detail. The drains of the first MOSFET and the second MOSFET are short-circuited, and as a current path at the time of on, for example, the forward bias is applied to the
本実施の形態にかかるトレンチゲート型MOSFETは、P型ウェル層5をトレンチ溝7で囲う構造としている。このことから、P型ウェル層5aと5b間のパンチスルー耐圧を十分に高くすることができる。
The trench gate type MOSFET according to the present embodiment has a structure in which the P-type well layer 5 is surrounded by the trench groove 7. For this reason, the punch-through breakdown voltage between the P-
本実施例では、トレンチ溝7の内面に形成された酸化膜が、N型ウェル層4とトレンチ溝の側面で接しているが、この部分の酸化膜が使用する電圧の範囲で破壊されないような構造にしなければならない。パワーMOSFETは低オン抵抗が求められるため、ゲート酸化膜を薄くすることが一般的である。そのため、N型ウェル層4とトレンチ溝の側面側に、ゲート酸化膜8よりも酸化膜厚の厚い酸化膜14を形成した。酸化膜14の膜厚は、例えばソース・ドレイン間電圧20VのMOSFETの場合、20nm以上あれば酸化膜14は破壊されない。
In this embodiment, the oxide film formed on the inner surface of the trench groove 7 is in contact with the N-
ゲート酸化膜8a、8bと酸化膜14a、14bの製造方法を簡単に説明する。まず、トレンチ溝7a、7bの全内面を熱酸化して酸化膜を形成した後、ホトリソグラフィにより酸化膜8a、8bを形成する部分を開口し、ウェットエッチングにより酸化膜8a、8bを形成する部分の酸化膜を除去する。そして、レジストを除去した後、再びトレンチ溝7の全内面を熱酸化することにより、ゲート酸化膜8と酸化膜14が形成される。
A method for manufacturing the
P型ウェル層5a、5bをトレンチ溝7a、7bに囲まれるように形成すること、およびトレンチ溝7a、7bの側面とN型ウェル層とが接する部分の酸化膜厚を厚くすることにより、P型ウェル層5aと5b間のパンチスルー耐圧を高めつつ、ドレイン・ゲート間の耐圧を高めることができる。それにより、P型ウェル層5aと5b間のパンチスルー耐圧を確保するために開けていたトレンチゲートMOSFET間の距離を、製造方法で決まるトレンチ溝の最小ピッチにまで縮めることができる。
P-
尚、本発明は、Nチャネルのトレンチゲート型MOSFETについての例を示したが、Pチャネルのトレンチゲート型MOSFETにも適用可能である。また、2つのトレンチゲート型MOSFETの素子分離について例を示したが、単体や3つ以上のトレンチゲート型MOSFETにも適用可能である。以上に説明したものは本発明の一実施の形態に過ぎないものであり、本発明の趣旨を逸脱することなく、この他にも種々の変形した実施の形態が考えられることは勿論のことである。 Although the present invention has been described with respect to an N-channel trench gate type MOSFET, the present invention is also applicable to a P-channel trench gate type MOSFET. Further, although an example of element isolation of two trench gate type MOSFETs has been shown, the present invention can also be applied to a single unit or three or more trench gate type MOSFETs. What has been described above is only one embodiment of the present invention, and various other modified embodiments can be considered without departing from the spirit of the present invention. is there.
1 P型半導体基板
2 N型埋め込みドレイン層
3 P型エピタキシャル層
4 N型ウェル層
5a、5b P型ウェル層
6 フィールド絶縁膜
7a、7b トレンチ溝
8a、8b 第1のゲート酸化膜
9a、9b ゲート電極
10a、10b N++型ソース層
11 第1の縦型MOSFET
12 第2の縦型MOSFET
13a、13b P++型ボディコンタクト層
14a、14b 第2のゲート酸化膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 P type semiconductor substrate 2 N type buried drain layer 3 P type epitaxial layer 4 N
12 Second vertical MOSFET
13a, 13b P ++ type body contact layers 14a, 14b Second gate oxide film
Claims (3)
前記半導体基板の上に設けられた、高濃度ドレインとなる第2導電型の埋め込み層と、
前記埋め込み層の上および周囲に設けられた第1導電型のエピタキシャル層と、
前記エピタキシャル層の表面に、前記埋め込み層に達するように設けられた低濃度ドレインとなる第2導電型の第1のウェル層と、
前記第1のウェル層の表面に電気的に分離して配置されたチャネル領域を構成する第1導電型の複数の第2のウェル層と、
前記複数の第2のウェル層の周囲をそれぞれ取り囲むトレンチ溝と、
前記トレンチ溝が前記第1のウェル層に接する側の前記トレンチ溝の内部表面に形成された第1のゲート酸化膜と、
前記トレンチ溝が取り囲む前記複数の第2のウェル層のうちのひとつに接する側の前記トレンチ溝の内部表面に形成された、前記第1のゲート酸化膜よりも膜厚が薄い第2のゲート酸化膜と、
前記トレンチ溝に埋設されたゲート電極材料と
前記複数の第2のウェル層の各々の表面に配置されたソース層およびボディコンタクト層と、
を有する半導体装置 A first conductivity type semiconductor substrate, a second conductivity type buried layer serving as a high-concentration drain provided on the semiconductor substrate;
An epitaxial layer of a first conductivity type provided on and around the buried layer;
A first well layer of a second conductivity type serving as a low concentration drain provided on the surface of the epitaxial layer so as to reach the buried layer;
A plurality of second well layers of a first conductivity type constituting a channel region electrically separated from the surface of the first well layer;
A trench groove surrounding each of the plurality of second well layers;
A first gate oxide film formed on the inner surface of the trench groove on the side where the trench groove is in contact with the first well layer;
A second gate oxide having a thickness smaller than that of the first gate oxide film formed on the inner surface of the trench groove on the side in contact with one of the plurality of second well layers surrounded by the trench groove; A membrane,
A gate electrode material embedded in the trench groove; and a source layer and a body contact layer disposed on the surface of each of the plurality of second well layers;
Semiconductor device having
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