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JP5601816B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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JP5601816B2
JP5601816B2 JP2009246141A JP2009246141A JP5601816B2 JP 5601816 B2 JP5601816 B2 JP 5601816B2 JP 2009246141 A JP2009246141 A JP 2009246141A JP 2009246141 A JP2009246141 A JP 2009246141A JP 5601816 B2 JP5601816 B2 JP 5601816B2
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稔 朝岡
哲男 織田
雄治 高柳
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株式会社 日立パワーデバイス
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  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)

Description

本発明は、半導体装置に係わり、特に大電力の制御などに用いられるトレンチゲート型のパワー半導体装置およびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a trench gate type power semiconductor device used for control of high power and a method for manufacturing the same.

パワー半導体装置は、モータ等の電気機器を制御するために用いられる大電力の半導体装置であり、パワーMOSFET(MOS: Metal-Oxide-Semiconductor、FET: Field Effect Transistor)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などのMOSトランジスタが主に用いられている。近年、省エネルギー・環境負荷低減の要求によりモータ制御におけるインバータ制御が普及するとともに、より高効率(低損失)なパワー半導体装置が必要とされている。   Power semiconductor devices are high-power semiconductor devices used to control electric devices such as motors. Power MOSFETs (MOS: Metal-Oxide-Semiconductor, FET: Field Effect Transistor) and IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) MOS transistors such as are mainly used. In recent years, inverter control in motor control has become widespread due to demands for energy saving and environmental load reduction, and higher efficiency (low loss) power semiconductor devices are required.

高効率化(低損失化)の一つの方法として、単位セルの微細化による導通損失(オン抵抗)の低減が図られてきた。また、半導体装置のセル構造として「トレンチゲート構造」を採用することで、チャネル幅を稼ぎながらセル面積の大幅な微細化が実現できるようになったことから、「プレーナゲート構造」よりもセルのオン抵抗は大幅に低減されるに至っている(例えば、特許文献1参照)。   As one method for improving efficiency (lowering loss), reduction of conduction loss (on-resistance) has been attempted by miniaturizing a unit cell. In addition, by adopting the “trench gate structure” as the cell structure of the semiconductor device, the cell area can be greatly miniaturized while increasing the channel width. On-resistance has been greatly reduced (see, for example, Patent Document 1).

特開2000−277531号公報JP 2000-277531 A

上述したように、トレンチゲート構造はプレーナゲート構造に比してセル面積の大幅な微細化を可能としたが、近年における微細化の更なる進展に伴って、セルのしきい値電圧Vthが設計値よりも上昇したりセルごとにばらついたりするという問題や遮断耐量(遮断電流/定格電流)が規定値を下回るという問題が散見されるようになってきた。これらの問題は、パワー半導体装置の更なる高効率化を進めるにあたって解決すべき課題である。 As described above, the trench gate structure enables a significant reduction in cell area as compared with the planar gate structure. However, with further progress in miniaturization in recent years, the threshold voltage V th of the cell is reduced. There are some problems that the value is higher than the design value or varies from cell to cell and that the withstand voltage (breaking current / rated current) is lower than the specified value. These problems are problems to be solved when further increasing the efficiency of the power semiconductor device.

従って、本発明の目的は、単位セルを微細化しても所望の遮断耐量を確保し、かつセルごとのしきい値電圧Vthのばらつきを抑制できるトレンチゲート構造を有する半導体装置およびその製造方法を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor device having a trench gate structure and a method for manufacturing the same, which can ensure a desired withstand voltage even when a unit cell is miniaturized and can suppress variations in threshold voltage Vth for each cell. It is to provide.

本発明は、上記目的を達成するため、トレンチゲート構造を有するMOSトランジスタから構成される半導体装置であって、
前記トランジスタは隣り合うトレンチ領域の間に形成される第1導電型チャネル領域と2つの第2導電型ソース領域と前記2つの第2導電型ソース領域の間に形成される第1導電型半導体領域とを有しており、
前記第1導電型半導体領域は前記第1導電型チャネル領域に向かって前記2つの第2導電型ソース領域から矩形状に突出するように形成されており、
前記第1導電型半導体領域と前記第1導電型チャネル領域との境界をなす領域において、前記トレンチ領域の幅方向における第1導電型不純物の濃度勾配が200 dB/μm以上である前記領域を有していることを特徴とする半導体装置を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention is a semiconductor device including a MOS transistor having a trench gate structure,
The transistor has a first conductivity type channel region formed between adjacent trench regions, two second conductivity type source regions, and a first conductivity type semiconductor region formed between the two second conductivity type source regions. And
The first conductivity type semiconductor region is formed to protrude in a rectangular shape from the two second conductivity type source regions toward the first conductivity type channel region,
In the region forming the boundary between the first conductivity type semiconductor region and the first conductivity type channel region, the region having the concentration gradient of the first conductivity type impurity in the width direction of the trench region is 200 dB / μm or more. A semiconductor device is provided.

また、本発明は、上記目的を達成するため、トレンチゲート構造を有するMOSトランジスタから構成される半導体装置の製造方法であって、
前記トランジスタは隣り合うトレンチ領域の間に形成される第1導電型チャネル領域と2つの第2導電型ソース領域と前記2つの第2導電型ソース領域の間に形成される第1導電型半導体領域とを有しており、
前記第1導電型半導体領域は前記第1導電型チャネル領域に向かって前記2つの第2導電型ソース領域から矩形状に突出するように形成されており、
前記第1導電型半導体領域と前記第1導電型チャネル領域との境界をなす領域において、前記トレンチ領域の幅方向における第1導電型不純物の濃度勾配が200 dB/μm以上である前記領域を有しており、
前記第1導電型半導体領域を形成するための拡散熱処理が波長1.1μm以下のレーザ光を用いたレーザアニール処理であることを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
The present invention also provides a method for manufacturing a semiconductor device comprising a MOS transistor having a trench gate structure in order to achieve the above object.
The transistor has a first conductivity type channel region formed between adjacent trench regions, two second conductivity type source regions, and a first conductivity type semiconductor region formed between the two second conductivity type source regions. And
The first conductivity type semiconductor region is formed to protrude in a rectangular shape from the two second conductivity type source regions toward the first conductivity type channel region,
In the region forming the boundary between the first conductivity type semiconductor region and the first conductivity type channel region, the region having the concentration gradient of the first conductivity type impurity in the width direction of the trench region is 200 dB / μm or more. And
There is provided a method of manufacturing a semiconductor device, wherein the diffusion heat treatment for forming the first conductive type semiconductor region is a laser annealing process using a laser beam having a wavelength of 1.1 μm or less.

本発明によれば、トレンチゲート構造を有するMOSトランジスタから構成される半導体装置において、単位セルを微細化しても所望の遮断耐量を確保し、かつセルごとのしきい値電圧Vthのばらつきを抑制したトレンチゲート構造を有する半導体装置を提供することができる。 According to the present invention, in a semiconductor device including a MOS transistor having a trench gate structure, a desired cutoff withstand is ensured even if a unit cell is miniaturized, and variation in threshold voltage Vth for each cell is suppressed. A semiconductor device having the trench gate structure can be provided.

pチャネルIGBTのトレンチゲート構造セルにおける従来の構造例を示した要部縦断面の模式図である。FIG. 5 is a schematic vertical sectional view showing an example of a conventional structure of a p-channel IGBT trench gate structure cell. pチャネルIGBTのトレンチゲート構造セルにおける理想的な構造例を示した要部縦断面の模式図である。FIG. 4 is a schematic vertical cross-sectional view showing an example of an ideal structure of a p-channel IGBT trench gate structure cell. 従来の半導体装置における図1中のu1-p1間距離としきい値電圧Vthとの関係の1例を示したグラフである。6 is a graph showing an example of a relationship between a distance between u1 and p1 in FIG. 1 and a threshold voltage Vth in a conventional semiconductor device. 従来の半導体装置における図1中のu1-p1間距離と遮断耐量との関係の1例を示したグラフである。It is the graph which showed one example of the relationship between the distance between u1-p1 in FIG. 1, and interruption | blocking tolerance in the conventional semiconductor device. 従来の半導体装置におけるp型不純物の濃度分布の測定結果の1例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the measurement result of the concentration distribution of the p-type impurity in the conventional semiconductor device. 本発明に係る半導体装置の1例の要部縦断面模式図である。It is a principal part longitudinal cross-sectional schematic diagram of one example of the semiconductor device which concerns on this invention. トレンチ領域(ゲート絶縁膜とゲート電極)形成工程後の要部縦断面の模式図である。It is a schematic diagram of the principal part longitudinal cross-section after a trench area | region (a gate insulating film and a gate electrode) formation process. p-型半導体領域(チャネル領域)形成のためのイオン打ち込み工程を示す要部縦断面の模式図である。It is a schematic diagram of a main part longitudinal section showing an ion implantation process for forming a p − type semiconductor region (channel region). p-型半導体領域(チャネル領域)形成工程後の要部縦断面の模式図である。It is a schematic diagram of the principal part longitudinal cross-section after a p <-> type | mold semiconductor region (channel region) formation process. n+型半導体領域(ソース領域)形成のためのイオン打ち込み工程を示す要部縦断面の模式図である。It is a schematic diagram of an essential part longitudinal section showing an ion implantation process for forming an n + -type semiconductor region (source region). n+型半導体領域(ソース領域)形成工程後の要部縦断面の模式図である。It is a schematic diagram of the principal part longitudinal cross-section after an n + type semiconductor region (source region) formation process. p+型半導体領域形成のためのイオン打ち込み工程を示す要部縦断面の模式図である。It is a schematic diagram of the principal part longitudinal cross-section which shows the ion implantation process for p + type semiconductor region formation. p+型半導体領域形成のためのレーザアニール処理工程を示す要部縦断面の模式図である。It is a schematic diagram of the principal part longitudinal cross-section which shows the laser annealing process for p + type semiconductor region formation. 本発明に係る半導体装置におけるp型不純物の濃度分布の測定結果の1例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the measurement result of the density | concentration distribution of the p-type impurity in the semiconductor device which concerns on this invention. 層間絶縁膜形成工程後の要部縦断面の模式図である。It is a schematic diagram of the principal part longitudinal cross-section after an interlayer insulation film formation process. 層間絶縁膜のエッチング処理工程を示す要部縦断面の模式図である。It is a schematic diagram of the principal part longitudinal cross-section which shows the etching process process of an interlayer insulation film. p+型半導体領域形成のためのイオン打ち込み工程を示す要部縦断面の模式図である。It is a schematic diagram of the principal part longitudinal cross-section which shows the ion implantation process for p + type semiconductor region formation. p+型半導体領域形成のためのレーザアニール処理工程を示す要部縦断面の模式図である。It is a schematic diagram of the principal part longitudinal cross-section which shows the laser annealing process for p + type semiconductor region formation. 層間絶縁膜整形工程後の要部縦断面の模式図である。It is a schematic diagram of the principal part longitudinal cross-section after an interlayer insulation film shaping process.

本発明者らは、単位セルの微細化において前記問題が生じる要因を詳細に調査し鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成させた。はじめに、従来の半導体装置について説明する。   The inventors of the present invention have completed the present invention as a result of investigating in detail the factors that cause the above problems in miniaturization of unit cells and intensively researching them. First, a conventional semiconductor device will be described.

図1は、pチャネルIGBTのトレンチゲート構造セルにおける従来の(現実的な)構造例を示した縦断面模式図であり、図2は、pチャネルIGBTのトレンチゲート構造セルにおける理想的な構造例を示した縦断面模式図である。図1、図2に示すように、pチャネルIGBTのトレンチゲート構造セルは、p+型半導体基板1上にn+型半導体層2とn-型半導体層(ドリフト層)3とが積層形成され、n-型半導体層(ドリフト層)3上にp-型半導体領域(チャネル領域)4とn+型半導体領域(ソース領域)6とトレンチ領域7(ゲート絶縁膜8とゲート電極9)とが形成され、これら半導体積層体10の上面に層間絶縁膜11を介して金属配線12が形成されている。また、2つのトレンチ領域7に挟まれた2つのn+型半導体領域(ソース領域)6の間には、p+型半導体領域5が介在しp-型半導体領域(チャネル領域)4へ突出するように形成されている。   FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view showing a conventional (realistic) structural example of a p-channel IGBT trench gate structure cell, and FIG. 2 is an ideal structural example of a p-channel IGBT trench gate structure cell. It is the longitudinal cross-sectional schematic diagram which showed. As shown in FIGS. 1 and 2, a p-channel IGBT trench gate structure cell includes an n + type semiconductor layer 2 and an n − type semiconductor layer (drift layer) 3 stacked on a p + type semiconductor substrate 1 and n A p-type semiconductor region (channel region) 4, an n + type semiconductor region (source region) 6 and a trench region 7 (gate insulating film 8 and gate electrode 9) are formed on the -type semiconductor layer (drift layer) 3. Metal wirings 12 are formed on the upper surfaces of these semiconductor laminates 10 with an interlayer insulating film 11 therebetween. A p + type semiconductor region 5 is interposed between two n + type semiconductor regions (source regions) 6 sandwiched between the two trench regions 7 so as to protrude into the p − type semiconductor region (channel region) 4. Is formed.

なお、導電型において“n”または“p”を冠した層または領域は、それぞれ電子、正孔を多数キャリアとする層または領域を意味し、“+”と“-”はそれぞれ不純物(n型不純物、p型不純物)の濃度が比較的高い、あるいは比較的低いことを意味するものとする。また、nチャネルIGBTの場合は、導電型の“n”と“p”が入れ替わる。   In addition, a layer or region having “n” or “p” in the conductivity type means a layer or region in which electrons and holes are majority carriers, and “+” and “−” are impurities (n-type). It means that the concentration of impurities and p-type impurities is relatively high or relatively low. In the case of an n-channel IGBT, the conductivity types “n” and “p” are interchanged.

図2に示したように、p+型半導体領域5(p+型半導体領域5とp-型半導体領域(チャネル領域)4との境界)は、理想的には矩形状でp-型半導体領域(チャネル領域)4へ突出するように形成されることが望ましい。しかしながら、現実的には製造プロセス(特に、拡散熱処理)の関係で、図1に示したように、比較的なだらかな曲面状(ブロードなプロファイル)になってしまうことが通常である。そのため、従来のトレンチゲート構造セルにおいて、p+型半導体領域5とトレンチ領域7との距離の制御が難しいという課題が元々あった。加えて、近年は微細化の更なる進展により、隣り合うトレンチ領域7間の絶対的な距離が益々小さくなったことから、トレンチ領域7の加工精度や製造プロセス上のゆらぎ(非理想性)の影響を受け易く、セルのしきい値電圧Vthがばらつくという問題が起きていた。 As shown in FIG. 2, the p + type semiconductor region 5 (the boundary between the p + type semiconductor region 5 and the p − type semiconductor region (channel region) 4) is ideally rectangular and has a p − type semiconductor region (channel). It is desirable to form so that it protrudes to (region) 4. However, in reality, as shown in FIG. 1, in general, due to the manufacturing process (particularly, diffusion heat treatment), a comparatively gentle curved surface (broad profile) is usually obtained. Therefore, the conventional trench gate structure cell originally has a problem that it is difficult to control the distance between the p + -type semiconductor region 5 and the trench region 7. In addition, due to further progress in miniaturization in recent years, the absolute distance between adjacent trench regions 7 has become smaller and smaller, resulting in fluctuations in the processing accuracy and manufacturing process of trench regions 7 (non-ideality). There is a problem that the threshold voltage V th of the cell is easily affected and varies.

そこで、図1に記したu1-p1間の距離とセルのしきい値電圧Vthとの関係を調査した。図3は、従来の半導体装置における図1中のu1-p1間距離としきい値電圧Vthとの関係の1例を示したグラフである。図3に示したように、u1-p1間距離が0.5μm以上ではしきい値電圧Vthの変動が小さいのに対し、0.5μm未満ではしきい値電圧Vthの変動が大きいことが判った。この結果から、セルのしきい値電圧Vthがばらついた要因は、u1-p1間距離が0.5μmを挟んで変動していたためと考えられた。 Therefore, the relationship between the distance between u1 and p1 shown in FIG. 1 and the threshold voltage Vth of the cell was investigated. FIG. 3 is a graph showing an example of the relationship between the distance between u1 and p1 in FIG. 1 and the threshold voltage Vth in the conventional semiconductor device. As shown in FIG. 3, when the distance between u1 and p1 is 0.5 μm or more, the fluctuation of the threshold voltage V th is small, while when it is less than 0.5 μm, the fluctuation of the threshold voltage V th is large. . From this result, it was considered that the reason why the cell threshold voltage V th varied was that the distance between u1 and p1 fluctuated across 0.5 μm.

次に、しきい値電圧Vthを安定させることを目的として、p+型半導体領域5のプロファイルを浅くした(p-型半導体領域(チャネル領域)4に対するp+型半導体領域5の突出を小さくした)ところ、トレンチ領域7の間の電気抵抗が高くなることによりラッチアップを引き起こし、セルの遮断耐量(遮断耐量=遮断電流/定格電流)が規定値を確保できないという問題が発生した。 Next, for the purpose of stabilizing the threshold voltage V th , the profile of the p + type semiconductor region 5 is shallowed (the protrusion of the p + type semiconductor region 5 with respect to the p − type semiconductor region (channel region) 4 is reduced). However, since the electrical resistance between the trench regions 7 is increased, latch-up is caused, and there is a problem that the specified cutoff value of the cell (breakdown tolerance = breakdown current / rated current) cannot be secured.

そこで、図1に記したu1-p1間の距離とセルの遮断耐量との関係を調査した。図4は、従来の半導体装置における図1中のu1-p1間距離と遮断耐量との関係の1例を示したグラフである。遮断耐量としては「2以上」が必要とされているが、図4に示したように、u1-p1間距離が約0.37μm以上になると遮断耐量が「2」を下回ってしまうことが判った。この結果は、トレンチ領域7間の電気抵抗をある値以下に制御する(不純物濃度をある値以上に制御する)必要があることを意味する。   Therefore, the relationship between the distance between u1 and p1 shown in FIG. 1 and the cutoff resistance of the cell was investigated. FIG. 4 is a graph showing an example of the relationship between the distance between u1 and p1 in FIG. As shown in Fig. 4, it was found that when the distance between u1 and p1 is about 0.37μm or more, the withstand capability falls below "2". . This result means that it is necessary to control the electrical resistance between the trench regions 7 to a certain value or less (control the impurity concentration to a certain value or more).

次に、トレンチ領域7間の不純物濃度を把握するために、図1に記したu1-u2間のa-a’線に沿った位置でp型不純物の濃度分布を調査した。図5は、従来の半導体装置におけるp型不純物の濃度分布の測定結果の1例を示すグラフである。なお、p型不純物濃度の測定はSIMS(2次イオン質量分析法)により行い、p+型半導体領域5とp-型半導体領域(チャネル領域)4との境界はp1またはp2の位置における濃度から1/100の濃度になった位置と定義した。   Next, in order to grasp the impurity concentration between the trench regions 7, the concentration distribution of the p-type impurity was investigated at a position along the a-a 'line between u1-u2 shown in FIG. FIG. 5 is a graph showing an example of the measurement result of the concentration distribution of p-type impurities in a conventional semiconductor device. The p-type impurity concentration is measured by SIMS (secondary ion mass spectrometry), and the boundary between the p + type semiconductor region 5 and the p− type semiconductor region (channel region) 4 is 1 from the concentration at the position of p1 or p2. It was defined as the position where the density was / 100.

図5から判るように、従来の半導体装置におけるp型不純物の濃度分布は、等温場における拡散現象を示唆する典型的な濃度分布を示していた。p+型半導体領域5の裾が広がっていることから、p+型半導体領域5がトレンチ領域7に近づきやすく(u1-p1間距離が小さくなりやすく)、セルのしきい値電圧Vthが大きくなったりばらついたりしたものと考えられた。また、p+型半導体領域5の裾部分の不純物濃度が低いため、トレンチ領域7の間の電気抵抗が高くなりやすく遮断耐量が低下したものと考えられた。 As can be seen from FIG. 5, the concentration distribution of the p-type impurity in the conventional semiconductor device shows a typical concentration distribution suggesting a diffusion phenomenon in an isothermal field. Since the p + type semiconductor region 5 has a wider base, the p + type semiconductor region 5 tends to approach the trench region 7 (the distance between u1 and p1 tends to be small), and the cell threshold voltage Vth increases. It was thought that it was scattered. In addition, since the impurity concentration at the bottom of the p + -type semiconductor region 5 is low, the electrical resistance between the trench regions 7 is likely to increase, and it was considered that the withstand voltage was reduced.

以下、図を参照しながら本発明に係る実施形態を説明する。ただし、本発明はここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、要旨を変更しない範囲で適宜改良してもよい。なお、図面中で同義の部分には同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、pチャネルIGBTの場合について説明するが、導電型の“n”と“p”を入れ替えたnチャネルIGBTの場合も同様である。   Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments taken up here, and may be modified as appropriate without departing from the scope of the invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to a synonymous part in drawing, and the overlapping description is abbreviate | omitted. Although the case of a p-channel IGBT will be described, the same applies to an n-channel IGBT in which the conductivity types “n” and “p” are interchanged.

〔本発明の第1の実施形態〕
(半導体装置の構造)
図6は、本発明に係る半導体装置の1例の要部縦断面模式図である。図6示すように、pチャネルIGBTのトレンチゲート構造セルは、p+型半導体基板1上にn+型半導体層2とn-型半導体層(ドリフト層)3とが積層形成され、n-型半導体層(ドリフト層)3上にp-型半導体領域(チャネル領域)4とn+型半導体領域(ソース領域)6とトレンチ領域7(ゲート絶縁膜8とゲート電極9)とが形成され、これら半導体積層体10の上面に層間絶縁膜11を介して金属配線12が形成されている。また、2つのトレンチ領域7に挟まれた2つのn+型半導体領域(ソース領域)6の間にはp+型半導体領域5が介在し、p+型半導体領域5はp-型半導体領域(チャネル領域)4に向かって2つのn+型半導体領域(ソース領域)6から矩形状に突出するように形成されている。
[First embodiment of the present invention]
(Structure of semiconductor device)
FIG. 6 is a schematic vertical sectional view showing an important part of an example of a semiconductor device according to the present invention. As shown in FIG. 6, the p-channel IGBT trench gate structure cell has an n + type semiconductor layer 2 and an n − type semiconductor layer (drift layer) 3 stacked on a p + type semiconductor substrate 1 to form an n − type semiconductor layer. A p − type semiconductor region (channel region) 4, an n + type semiconductor region (source region) 6, and a trench region 7 (gate insulating film 8 and gate electrode 9) are formed on (drift layer) 3, and these semiconductor laminates A metal wiring 12 is formed on the upper surface of 10 via an interlayer insulating film 11. A p + type semiconductor region 5 is interposed between two n + type semiconductor regions (source regions) 6 sandwiched between the two trench regions 7, and the p + type semiconductor region 5 is a p− type semiconductor region (channel region). It is formed so as to protrude in a rectangular shape from the two n + -type semiconductor regions (source regions) 6 toward 4.

さらに、p+型半導体領域5とp-型半導体領域(チャネル領域)4との境界をなす領域においてp型不純物の濃度は急峻に変化し、濃度の変化率が1/100(または100倍)となるトレンチ領域7の幅方向(図中の横方向)の距離が0.1μm以下である領域を有している。言い換えると、該境界をなす領域においてp型不純物の濃度勾配が200 dB/μm以上である領域を有している。p+型半導体領域5における矩形状のプロファイルと急峻な不純物濃度勾配は、本発明に係る半導体装置がトレンチゲート構造セルにおいて従来よりも理想に近い構造を達成していることを示している。   Furthermore, the concentration of the p-type impurity changes sharply in the region that forms the boundary between the p + -type semiconductor region 5 and the p − -type semiconductor region (channel region) 4, and the change rate of the concentration is 1/100 (or 100 times). The trench region 7 has a region whose distance in the width direction (lateral direction in the figure) is 0.1 μm or less. In other words, the region forming the boundary has a region where the concentration gradient of the p-type impurity is 200 dB / μm or more. The rectangular profile and steep impurity concentration gradient in the p + type semiconductor region 5 indicate that the semiconductor device according to the present invention achieves a structure closer to the ideal in the trench gate structure cell than in the past.

(半導体装置の製造方法)
次に、本発明に係る半導体装置の製造方法について説明する。ここでは、製造プロセスとして、2つの第2導電型ソース領域の間に第1導電型半導体領域を形成した後に層間絶縁膜を形成する手順例を、図7〜図13を用いて説明する。なお、トレンチ領域の形成順は、第1導電型チャネル領域と第2導電型ソース領域とを形成する前であっても後であってもよい。
(Method for manufacturing semiconductor device)
Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described. Here, as a manufacturing process, an example of a procedure for forming an interlayer insulating film after forming a first conductive type semiconductor region between two second conductive type source regions will be described with reference to FIGS. The order of forming the trench regions may be before or after forming the first conductivity type channel region and the second conductivity type source region.

図7は、トレンチ領域(ゲート絶縁膜とゲート電極)形成工程後の要部縦断面の模式図である。トレンチ領域7(ゲート絶縁膜8とゲート電極9)を形成した半導体積層体10を用意する。トレンチ領域7を形成するまでの工程に特段の限定はなく、従前のプロセスを利用できる。   FIG. 7 is a schematic diagram of a longitudinal section of the main part after the trench region (gate insulating film and gate electrode) formation step. A semiconductor stacked body 10 in which the trench region 7 (gate insulating film 8 and gate electrode 9) is formed is prepared. There is no particular limitation on the process until the trench region 7 is formed, and a conventional process can be used.

図8は、p-型半導体領域(チャネル領域)形成のためのイオン打ち込み工程を示す要部縦断面の模式図である。半導体積層体10の表面にイオン打込み用スルー膜13となる酸化ケイ素膜を形成した後、チャネル領域を形成するために、イオン注入によりn-型半導体層(ドリフト層)3の全面にp型不純物(例えば、ホウ素:B)を導入する。   FIG. 8 is a schematic vertical cross-sectional view showing the main part of an ion implantation process for forming a p − type semiconductor region (channel region). After forming a silicon oxide film to be an ion implantation through film 13 on the surface of the semiconductor laminate 10, a p-type impurity is formed on the entire surface of the n − type semiconductor layer (drift layer) 3 by ion implantation to form a channel region. (For example, boron: B) is introduced.

図9は、p-型半導体領域(チャネル領域)形成工程後の要部縦断面の模式図である。半導体積層体10の表面に形成したイオン打込み用スルー膜12を除去し、所望の不純物濃度分布を有するp-型半導体領域(チャネル領域)4を形成するために、前記p型不純物に対する拡散熱処理を施す。   FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of the main part after the step of forming a p − type semiconductor region (channel region). In order to remove the ion implantation through film 12 formed on the surface of the semiconductor stacked body 10 and form a p-type semiconductor region (channel region) 4 having a desired impurity concentration distribution, diffusion heat treatment for the p-type impurity is performed. Apply.

図10は、n+型半導体領域(ソース領域)形成のためのイオン打ち込み工程を示す要部縦断面の模式図である。p-型半導体領域(チャネル領域)4を形成した半導体積層体10の表面にホトレジスト14を用いてマスキングを施した後、ソース領域を形成するために、イオン注入によりp-型半導体領域(チャネル領域)4へn型不純物(例えば、砒素:As)を選択的に導入する。   FIG. 10 is a schematic vertical cross-sectional view showing the main part of an ion implantation process for forming an n + type semiconductor region (source region). After masking the surface of the semiconductor stack 10 on which the p-type semiconductor region (channel region) 4 is formed using a photoresist 14, a p-type semiconductor region (channel region) is formed by ion implantation to form a source region. ) Selectively introduce n-type impurities (for example, arsenic: As) into 4.

図11は、n+型半導体領域(ソース領域)形成工程後の要部縦断面の模式図である。半導体積層体10の表面に形成したホトレジスト14を除去し、所望の不純物濃度分布を有するn+型半導体領域(ソース領域)6を形成するために、前記n型不純物に対する拡散熱処理を施す。   FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of the main part after the n + -type semiconductor region (source region) formation step. In order to remove the photoresist 14 formed on the surface of the semiconductor stacked body 10 and form an n + -type semiconductor region (source region) 6 having a desired impurity concentration distribution, a diffusion heat treatment is performed on the n-type impurity.

図12は、p+型半導体領域形成のためのイオン打ち込み工程を示す要部縦断面の模式図である。n+型半導体領域(ソース領域)6を形成した半導体積層体10の表面にホトレジスト14を用いてマスキングを施した後、2つのn+型半導体領域(ソース領域)6の間に第1導電型半導体領域を形成するために、イオン注入によりp型不純物(例えば、ホウ素:B)を選択的に導入する。なお、このホトレジスト14は、次工程である拡散熱処理としてレーザアニール処理を行うためのマスクとしても利用されるため、膜厚が1.0〜2.0μmとなるように形成することが好ましい。   FIG. 12 is a schematic vertical cross-sectional view showing a main part of an ion implantation process for forming a p + type semiconductor region. After masking the surface of the semiconductor stacked body 10 on which the n + type semiconductor region (source region) 6 is formed using a photoresist 14, a first conductive type semiconductor region is provided between the two n + type semiconductor regions (source region) 6. To form a p-type impurity (for example, boron: B) by ion implantation. This photoresist 14 is also used as a mask for performing laser annealing as a diffusion heat treatment that is the next step, and therefore it is preferable to form the photoresist 14 so as to have a film thickness of 1.0 to 2.0 μm.

図13は、p+型半導体領域形成のためのレーザアニール処理工程を示す要部縦断面の模式図である。所望の不純物濃度分布を有するp+型半導体領域5を形成するために、前記p型不純物に対する拡散熱処理としてレーザアニール処理を施す。このとき、前工程で形成したホトレジスト14をマスクとして用い、波長1.1μm以下のレーザ光(例えばYLFレーザ、リチウム・イットリウム・フロライド(LiYF4)レーザ、波長はドーパントや高調波により変化するが概ね263〜1053 nm)を照射する。 FIG. 13 is a schematic vertical cross-sectional view showing a laser annealing process for forming a p + -type semiconductor region. In order to form the p + -type semiconductor region 5 having a desired impurity concentration distribution, a laser annealing process is performed as a diffusion heat treatment for the p-type impurity. At this time, using the photoresist 14 formed in the previous step as a mask, a laser beam having a wavelength of 1.1 μm or less (for example, YLF laser, lithium yttrium fluoride (LiYF 4 ) laser, the wavelength varies depending on the dopant and harmonics, but is generally 263 ˜1053 nm).

レーザ光照射によりシリコン材料を加熱するためには、レーザ光がシリコン材料に吸収される必要がある。そのためには、シリコン材料のバンドギャップエネルギー(1.1 eV)よりも光のエネルギーが大きいことが必要であり、計算上1127 nm以下の波長の光が必要である。   In order to heat the silicon material by laser light irradiation, the laser light needs to be absorbed by the silicon material. For that purpose, it is necessary that the energy of the light is larger than the band gap energy (1.1 eV) of the silicon material, and light having a wavelength of 1127 nm or less is necessary in the calculation.

また、照射された光はある侵入長をもって吸収されると考えられるが、特に波長1.0〜1.1μm辺りの光はその侵入長が比較的長いと考えられる。すなわち、照射された領域のみ(ある程度の深さをもった領域)を極めて局所的に加熱することができると考えられる。言い換えると、本発明におけるレーザアニール処理は、p+型半導体領域5形成のためのイオン打ち込みを行った領域のみを加熱し拡散熱処理できる効果がある。これは、従来の等温場における拡散熱処理と大きく異なり、拡散領域(加熱される領域)が極めて限られることで、p+型半導体領域5の矩形状プロファイルと境界領域における急峻な不純物濃度勾配との形成に寄与していると考えられる。   In addition, the irradiated light is considered to be absorbed with a certain penetration depth, but in particular, the light having a wavelength of about 1.0 to 1.1 μm is considered to have a relatively long penetration length. That is, it is considered that only the irradiated region (region having a certain depth) can be heated extremely locally. In other words, the laser annealing treatment in the present invention has an effect that only the region where ion implantation for forming the p + -type semiconductor region 5 is performed can be heated to perform a diffusion heat treatment. This is very different from diffusion heat treatment in the conventional isothermal field, and the diffusion region (heated region) is extremely limited, thereby forming a rectangular profile of the p + type semiconductor region 5 and a steep impurity concentration gradient in the boundary region. It is thought that it contributes to.

レーザアニール処理工程の後、半導体積層体10の表面に形成したホトレジスト14を除去し、層間絶縁膜11と金属配線12を形成して図6に示したような断面構造を有する本発明に係る半導体装置が完成する。   After the laser annealing process, the photoresist 14 formed on the surface of the semiconductor laminate 10 is removed, and the interlayer insulating film 11 and the metal wiring 12 are formed to have the cross-sectional structure as shown in FIG. The device is completed.

本発明の作用効果を確認するために、従来の半導体装置と同じ位置でp型不純物の濃度分布を調査した。図14は、本発明に係る半導体装置におけるp型不純物の濃度分布の測定結果の1例を示すグラフである。図中には図5の結果も併せて示した。図14から判るように、本発明に係る半導体装置は矩形状の濃度プロファイルを有している。また、p+型半導体領域5とp-型半導体領域(チャネル領域)4との境界をなす領域においてp型不純物の濃度は急峻に変化し、濃度の変化率が1/100(または100倍)となる距離が0.1μm以下であることが確認された。   In order to confirm the effect of the present invention, the concentration distribution of the p-type impurity was investigated at the same position as the conventional semiconductor device. FIG. 14 is a graph showing an example of the measurement result of the concentration distribution of the p-type impurity in the semiconductor device according to the present invention. The result of FIG. 5 is also shown in the figure. As can be seen from FIG. 14, the semiconductor device according to the present invention has a rectangular concentration profile. In addition, in the region that forms the boundary between the p + type semiconductor region 5 and the p − type semiconductor region (channel region) 4, the concentration of the p-type impurity changes sharply, and the change rate of the concentration is 1/100 (or 100 times). It was confirmed that the distance is 0.1 μm or less.

さらに、本発明に係る半導体装置のしきい値電圧Vthと遮断耐量とを調査したところ、セルごとのしきい値電圧Vthのばらつきが抑制され、所望の遮断耐量も確保されていた。すなわち、本発明に係る半導体装置は、単位セルの更なる微細化に対応可能であり、高効率化(低損失化)に有効な半導体装置と言える。 Further, when the threshold voltage V th and the cutoff withstand voltage of the semiconductor device according to the present invention were investigated, the variation in the threshold voltage V th for each cell was suppressed, and the desired cutoff withstand voltage was secured. That is, the semiconductor device according to the present invention can cope with further miniaturization of the unit cell, and can be said to be a semiconductor device effective for high efficiency (low loss).

〔本発明の第2の実施形態〕
(半導体装置の製造方法)
次に、第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。ここでは、製造プロセスとして、層間絶縁膜を形成した後に第1導電型半導体領域を形成する手順例を、図15〜図19を用いて説明する。なお、第1の実施形態と同様の部分の説明は省略する。
[Second Embodiment of the Present Invention]
(Method for manufacturing semiconductor device)
Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment will be described. Here, as a manufacturing process, an example of a procedure for forming the first conductive type semiconductor region after forming the interlayer insulating film will be described with reference to FIGS. The description of the same parts as those in the first embodiment is omitted.

図15は、層間絶縁膜形成工程後の要部縦断面の模式図である。n+型半導体領域(ソース領域)6を形成した半導体積層体10の表面に層間絶縁膜15を形成する。なお、この層間絶縁膜15は、後工程のレーザアニール処理工程の際にマスクとして利用されるため、膜厚が2.0〜3.0μmとなるように形成することが好ましい。   FIG. 15 is a schematic diagram of a longitudinal section of the main part after the interlayer insulating film forming step. An interlayer insulating film 15 is formed on the surface of the semiconductor stacked body 10 on which the n + type semiconductor region (source region) 6 is formed. This interlayer insulating film 15 is preferably formed so as to have a film thickness of 2.0 to 3.0 μm because it is used as a mask in the subsequent laser annealing treatment step.

図16は、層間絶縁膜のエッチング処理工程を示す要部縦断面の模式図である。層間絶縁膜15を選択的に加工するためにホトレジスト16を形成した後、ウェットエッチングまたはドライエッチグにより層間絶縁膜15を加工する。その後、ホトレジスト16を除去する。   FIG. 16 is a schematic diagram of a main part longitudinal cross section showing an etching process of an interlayer insulating film. In order to selectively process the interlayer insulating film 15, a photoresist 16 is formed, and then the interlayer insulating film 15 is processed by wet etching or dry etching. Thereafter, the photoresist 16 is removed.

図17は、p+型半導体領域形成のためのイオン打ち込み工程を示す要部縦断面の模式図である。2つのn+型半導体領域(ソース領域)6の間に第1導電型半導体領域を形成するために、イオン注入によりp型不純物(例えば、ホウ素:B)を選択的に導入する。   FIG. 17 is a schematic diagram of a main part longitudinal section showing an ion implantation process for forming a p + -type semiconductor region. In order to form a first conductivity type semiconductor region between two n + type semiconductor regions (source regions) 6, a p-type impurity (for example, boron: B) is selectively introduced by ion implantation.

図18は、p+型半導体領域形成のためのレーザアニール処理工程を示す要部縦断面の模式図である。第1の実施形態と同様に、所望の不純物濃度分布を有するp+型半導体領域5を形成するために、前記p型不純物に対する拡散熱処理としてレーザアニール処理を施す。   FIG. 18 is a schematic vertical cross-sectional view showing a laser annealing process for forming a p + type semiconductor region. Similarly to the first embodiment, in order to form the p + -type semiconductor region 5 having a desired impurity concentration distribution, a laser annealing process is performed as a diffusion heat treatment for the p-type impurity.

図19は、層間絶縁膜整形工程後の要部縦断面の模式図である。層間絶縁膜15の表面ダメージ層を除去しかつ必要とされる形状(層間絶縁膜11)に整形するため、ウェットエッチングにより層間絶縁膜をエッチバックする。   FIG. 19 is a schematic diagram of a main part longitudinal section after the interlayer insulating film shaping step. In order to remove the surface damage layer of the interlayer insulating film 15 and shape it into a required shape (interlayer insulating film 11), the interlayer insulating film is etched back by wet etching.

その後、金属配線12を形成して図6に示したような断面構造を有する本発明に係る半導体装置が完成する。   Thereafter, the metal wiring 12 is formed to complete the semiconductor device according to the present invention having the cross-sectional structure as shown in FIG.

1…p+型半導体基板、2…n+型半導体層、3…n-型半導体層(ドリフト層)、
4…p-型半導体領域(チャネル領域)、5…p+型半導体領域、
6…n+型半導体領域(ソース領域)、7…トレンチ領域、
8…ゲート絶縁膜、9…ゲート電極、10…半導体積層体、11…層間絶縁膜、
12…金属配線、13…イオン打込み用スルー膜、14…ホトレジスト、15…層間絶縁膜。
1 ... p + type semiconductor substrate, 2 ... n + type semiconductor layer, 3 ... n- type semiconductor layer (drift layer),
4 ... p-type semiconductor region (channel region), 5 ... p + type semiconductor region,
6 ... n + type semiconductor region (source region), 7 ... trench region,
8 ... Gate insulating film, 9 ... Gate electrode, 10 ... Semiconductor laminate, 11 ... Interlayer insulating film,
12 ... metal wiring, 13 ... through film for ion implantation, 14 ... photoresist, 15 ... interlayer insulating film.

Claims (1)

トレンチゲート構造を有するMOSトランジスタから構成される半導体装置の製造方法であって、
前記トランジスタは隣り合うトレンチ領域の間に形成される第1導電型チャネル領域と2つの第2導電型ソース領域と前記2つの第2導電型ソース領域の間に形成される第1導電型半導体領域とを有しており、
前記第1導電型半導体領域は、前記第1導電型チャネル領域に向かって前記2つの第2導電型ソース領域から矩形状に突出するように、前記第1導電型チャネル領域への第1導電型不純物のイオン注入と拡散熱処理とによって形成されており、
前記第1導電型半導体領域と前記第1導電型チャネル領域との境界をなす領域において、前記トレンチ領域の幅方向における前記第1導電型不純物の濃度勾配が200 dB/μm以上である前記領域を有しており、
前記第1導電型半導体領域を形成するための前記拡散熱処理が波長1.1μm以下のレーザ光を用いたレーザアニール処理であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method for manufacturing a semiconductor device including a MOS transistor having a trench gate structure,
The transistor has a first conductivity type channel region formed between adjacent trench regions, two second conductivity type source regions, and a first conductivity type semiconductor region formed between the two second conductivity type source regions. And
The first conductivity type semiconductor region has a first conductivity type to the first conductivity type channel region so as to protrude in a rectangular shape from the two second conductivity type source regions toward the first conductivity type channel region. It is formed by impurity ion implantation and diffusion heat treatment,
In the region forming the boundary between the first conductivity type semiconductor region and the first conductivity type channel region, the region in which the concentration gradient of the first conductivity type impurity in the width direction of the trench region is 200 dB / μm or more. Have
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the diffusion heat treatment for forming the first conductivity type semiconductor region is a laser annealing treatment using a laser beam having a wavelength of 1.1 μm or less.
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