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JP2022010387A - Semiconductor device - Google Patents

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JP2022010387A JP2021187777A JP2021187777A JP2022010387A JP 2022010387 A JP2022010387 A JP 2022010387A JP 2021187777 A JP2021187777 A JP 2021187777A JP 2021187777 A JP2021187777 A JP 2021187777A JP 2022010387 A JP2022010387 A JP 2022010387A
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信夫 町田
Nobuo Machida
耕一 新井
Koichi Arai
賢一 久田
Kenichi Hisada
泰典 山下
Taisuke Yamashita
聡司 江口
Soji Eguchi
広信 宮本
Hironobu Miyamoto
敦 酒井
Atsushi Sakai
克己 永久
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Abstract

【課題】半導体装置の性能を向上させる。【解決手段】SiC基板である半導体基板SB上に、ドリフト層DRが形成されている。ドリフト層DRは、n型半導体層NE1~NE3およびp型半導体領域PTを有する。ここで、n型半導体層NE2の不純物濃度は、n型半導体層NE1の不純物濃度、および、n型半導体層NE3の不純物濃度よりも高い。また、平面視において、互いに隣接するp型不純物領域PTの間に位置している半導体層NE2は、溝TR内に形成されたゲート電極Gの少なくとも一部と重なる。【選択図】図3An object of the present invention is to improve the performance of a semiconductor device. A drift layer DR is formed on a semiconductor substrate SB which is a SiC substrate. The drift layer DR has n-type semiconductor layers NE1 to NE3 and a p-type semiconductor region PT. Here, the impurity concentration of the n-type semiconductor layer NE2 is higher than the impurity concentration of the n-type semiconductor layer NE1 and the impurity concentration of the n-type semiconductor layer NE3. Further, in plan view, the semiconductor layer NE2 located between the p-type impurity regions PT adjacent to each other overlaps with at least part of the gate electrode G formed in the trench TR. [Selection drawing] Fig. 3

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、炭化シリコン(SiC)基板を用いた半導体装置に好適に利用できるものである。 The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and is particularly suitable for a semiconductor device using a silicon carbide (SiC) substrate.

パワートランジスタを有する半導体装置において、SiC基板を用いた半導体装置が検討されている。SiC基板を用いた場合、SiCはシリコン(Si)に比べてバンドギャップが大きいため、絶縁破壊耐圧が大きくなる。また、SiC基板のパワートランジスタにおいて、Si基板のパワートランジスタでも用いられているトレンチゲート構造が適用されている。 As a semiconductor device having a power transistor, a semiconductor device using a SiC substrate is being studied. When a SiC substrate is used, SiC has a larger bandgap than silicon (Si), so that the dielectric breakdown withstand voltage is large. Further, in the power transistor of the SiC substrate, the trench gate structure used in the power transistor of the Si substrate is applied.

特許文献1には、SiC基板を用いたトレンチゲート構造のパワートランジスタが開示されており、電界緩和用のp型の不純物領域が設けられたn型の低濃度ドリフト層と、低濃度ドリフト層上に形成されたn型の高濃度ドリフト層とが開示されている。そして、トレンチゲートを高濃度ドリフト層内に設けることが開示されている。 Patent Document 1 discloses a power transistor having a trench gate structure using a SiC substrate, and is on an n-type low-concentration drift layer provided with a p-type impurity region for electric field relaxation and a low-concentration drift layer. The n-type high-concentration drift layer formed in the above is disclosed. Then, it is disclosed that the trench gate is provided in the high concentration drift layer.

特許文献2には、SiC基板を用いたプレーナ型のパワートランジスタが開示されており、半導体基板上に、低濃度のエピタキシャル層、高濃度のエピタキシャル層および低濃度のエピタキシャル層を積層させた構造が開示されている。 Patent Document 2 discloses a planar type power transistor using a SiC substrate, and has a structure in which a low-concentration epitaxial layer, a high-concentration epitaxial layer, and a low-concentration epitaxial layer are laminated on a semiconductor substrate. It has been disclosed.

特許文献3には、SiC基板を用いたトレンチゲート構造のパワートランジスタが開示されており、電界緩和用のp型の不純物領域が設けられたn型の第1低濃度ドリフト層と、第1低濃度ドリフト層上に形成されたn型の第2低濃度ドリフト層とが開示されている。そして、複数のp型の不純物領域の間に、n型の高濃度不純物領域を設けることが開示されている。 Patent Document 3 discloses a power transistor having a trench gate structure using a SiC substrate, and has an n-type first low-concentration drift layer provided with a p-type impurity region for electric field relaxation and a first low concentration. The n-type second low-concentration drift layer formed on the concentration drift layer is disclosed. Then, it is disclosed that an n-type high-concentration impurity region is provided between a plurality of p-type impurity regions.

特開2014-175518号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-175518 特開2001-274395号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2001-274395 特開2015-26726号公報JP-A-2015-26726

SiC基板を用いたトレンチゲート構造のパワートランジスタでは、パワートランジスタのオン抵抗を低減し、トレンチゲートの下部周辺の耐圧向上を図ることが望まれる。 In a power transistor having a trench gate structure using a SiC substrate, it is desired to reduce the on-resistance of the power transistor and improve the withstand voltage around the lower part of the trench gate.

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 Other issues and novel features will become apparent from the description and accompanying drawings herein.

本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。 A brief description of typical embodiments disclosed in the present application is as follows.

一実施の形態によれば、半導体装置は、シリコンおよび炭素を含んで構成される半導体基板と、前記半導体基板の上面上に形成された第1導電型の第1半導体層と、前記第1半導体層上に形成された前記第1導電型の第3半導体層と、前記第1半導体層と前記第3半導体層との間に形成された前記第1導電型の第2半導体層と、前記第1半導体層と前記第3半導体層との間に形成され、前記第1導電型とは反対の導電型である第2導電型であり、且つ、平面視において、前記第2半導体層を挟むように形成された複数の第1不純物領域と、前記第3半導体層内に形成された前記第2導電型の第2不純物領域と、前記第1不純物領域内に形成された前記第1導電型の第3不純物領域と、前記第2不純物領域および前記第3不純物領域を貫通して、前記第3半導体層に達する溝と、前記溝内に形成されたゲート絶縁膜と、前記溝内に前記ゲート絶縁膜を介して埋め込まれたゲート電極と、を有する。ここで、前記第2半導体層の不純物濃度は、前記第1半導体層の不純物濃度、および、前記第3半導体層の不純物濃度よりも高く、平面視において、前記溝および前記ゲート電極は、第1方向に延在し、複数の前記ゲート電極が、前記第2方向で互いに隣接するように形成され、前記第1方向に垂直な断面において、前記ゲート電極の中央から厚さ方向に中央線を引き、前記第2方向で隣接する2つの前記ゲート電極の各々の前記中央線を結ぶ距離をL6とした時、前記複数の第1不純物領域は、L6の整数分の1の周期で形成されている。 According to one embodiment, the semiconductor device includes a semiconductor substrate composed of silicon and carbon, a first conductive type first semiconductor layer formed on the upper surface of the semiconductor substrate, and the first semiconductor. The first conductive type third semiconductor layer formed on the layer, the first conductive type second semiconductor layer formed between the first semiconductor layer and the third semiconductor layer, and the first. It is a second conductive type that is formed between the first semiconductor layer and the third semiconductor layer and is a conductive type opposite to the first conductive type, and sandwiches the second semiconductor layer in a plan view. Of the plurality of first impurity regions formed in, the second conductivity type second impurity region formed in the third semiconductor layer, and the first conductive type region formed in the first impurity region. A groove that penetrates the third impurity region, the second impurity region, and the third impurity region and reaches the third semiconductor layer, a gate insulating film formed in the groove, and the gate in the groove. It has a gate electrode embedded via an insulating film. Here, the impurity concentration of the second semiconductor layer is higher than the impurity concentration of the first semiconductor layer and the impurity concentration of the third semiconductor layer, and in a plan view, the groove and the gate electrode are the first. A plurality of the gate electrodes extending in a direction are formed so as to be adjacent to each other in the second direction, and a center line is drawn from the center of the gate electrode in the thickness direction in a cross section perpendicular to the first direction. When the distance connecting the center lines of the two adjacent gate electrodes in the second direction is L6, the plurality of first impurity regions are formed with a period of 1 / integer of L6. ..

本願において開示される、一実施の形態によれば、半導体装置の性能を向上させることができる。 According to one embodiment disclosed in the present application, the performance of the semiconductor device can be improved.

実施の形態1の半導体装置である半導体チップのレイアウトを示す平面図である。It is a top view which shows the layout of the semiconductor chip which is the semiconductor device of Embodiment 1. FIG. 実施の形態1の半導体装置の要部平面図である。It is a main part plan view of the semiconductor device of Embodiment 1. FIG. 実施の形態1の半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor device of Embodiment 1. FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device of Embodiment 1. FIG. 図4に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device following FIG. 図5に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device following FIG. 図6に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device following FIG. 図7に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device following FIG. 図8に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device following FIG. 図9に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device following FIG. 図10に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device following FIG. 図11に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device following FIG. 図12に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device following FIG. 図13に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device following FIG. 本願発明者によるシミュレーションの結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the simulation by the inventor of this application. 本願発明者によるシミュレーションの結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the simulation by the inventor of this application. 本願発明者によるシミュレーションの結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the simulation by the inventor of this application. 本願発明者によるシミュレーションの結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the simulation by the inventor of this application. 本願発明者によるシミュレーションの結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the simulation by the inventor of this application. 本願発明者によるシミュレーションの結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the simulation by the inventor of this application. 本願発明者によるシミュレーションの結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the simulation by the inventor of this application. 実施の形態1の変形例の半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor device of the modification of Embodiment 1. FIG. 本願発明者によるシミュレーションの結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the simulation by the inventor of this application. 実施の形態2の半導体装置の要部平面図である。It is a main part plan view of the semiconductor device of Embodiment 2. FIG. 実施の形態2の半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor device of Embodiment 2. FIG. 実施の形態2の変形例の半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor device of the modification of Embodiment 2. 実施の形態3の半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor device of Embodiment 3. FIG. 実施の形態3の半導体装置の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device of Embodiment 3. FIG. 図28に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device following FIG. 図29に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device following FIG. 実施の形態3の変形例の半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor device of the modification of Embodiment 3. FIG. 実施の形態4の半導体装置の要部平面図である。It is a main part plan view of the semiconductor device of Embodiment 4. FIG. 実施の形態4の半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor device of Embodiment 4. FIG. 実施の形態4の変形例の半導体装置の要部平面図である。It is a main part plan view of the semiconductor device of the modification of Embodiment 4. 実施の形態4の変形例の半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor device of the modification of Embodiment 4. 検討例の半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor device of the study example.

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明などの関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数など(個数、数値、量、範囲などを含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合などを除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップなども含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合などを除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素などの形状、位置関係などに言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合などを除き、実質的にその形状などに近似または類似するものなどを含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。 In the following embodiments, when necessary for convenience, the description will be divided into a plurality of sections or embodiments, but unless otherwise specified, they are not unrelated to each other, one of which is the other. It is related to some or all of the modified examples, details, supplementary explanations, etc. Further, in the following embodiments, when the number of elements (including the number, numerical value, quantity, range, etc.) is referred to, when it is specified in particular, or when it is clearly limited to a specific number in principle, etc. Except for this, the number is not limited to the specific number, and may be more than or less than the specific number. Furthermore, in the following embodiments, the components (including element steps, etc.) are not necessarily essential unless otherwise specified or clearly considered to be essential in principle. Needless to say. Similarly, in the following embodiments, when the shape, positional relationship, etc. of a component or the like is referred to, the shape is substantially the same except when explicitly stated or when it is considered that it is not apparent in principle. It shall include things that are similar to or similar to. This also applies to the above numerical values and ranges.

以下、実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。 Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings. In all the drawings for explaining the embodiment, the members having the same function are designated by the same reference numerals, and the repeated description thereof will be omitted. Further, in the following embodiments, the same or similar parts will not be repeated in principle unless it is particularly necessary.

また、断面図および平面図において、各部位の大きさは実デバイスと対応するものではなく、図面を分かりやすくするため、特定の部位を相対的に大きく表示する場合がある。また、断面図が平面図と対応する場合においても、図面を分かりやすくするため、特定の部位を相対的に大きく表示する場合がある。 Further, in the cross-sectional view and the plan view, the size of each part does not correspond to the actual device, and a specific part may be displayed relatively large in order to make the drawing easy to understand. Further, even when the cross-sectional view corresponds to the plan view, a specific portion may be displayed in a relatively large size in order to make the drawing easy to understand.

また、実施の形態で用いる図面においては、図面を見易くするためにハッチングを省略する場合もある。 Further, in the drawings used in the embodiment, hatching may be omitted in order to make the drawings easier to see.

(実施の形態1)
以下に、本実施の形態の半導体装置の構造、半導体装置の製造方法、検討例の説明、および、本実施の形態の主な特徴を、順番に説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the structure of the semiconductor device of the present embodiment, the manufacturing method of the semiconductor device, the description of the study example, and the main features of the present embodiment will be described in order.

<半導体装置の構造>
図1は、本実施の形態の半導体装置である半導体チップCの平面図である。図1では、理解を簡単にするために、絶縁膜IF5(図3参照)を透過した状態を示し、平面図であるが、ゲート電位電極GEおよびソース電位電極SEにハッチングを付している。半導体チップCは、複数のトレンチゲート構造のパワートランジスタを有する。このようなパワートランジスタを、パワーMOSFET(Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor)と称することもある。
<Structure of semiconductor device>
FIG. 1 is a plan view of a semiconductor chip C, which is a semiconductor device of the present embodiment. FIG. 1 shows a state in which the insulating film IF5 (see FIG. 3) is transmitted through the insulating film IF5 (see FIG. 3) for easy understanding, and although it is a plan view, the gate potential electrode GE and the source potential electrode SE are hatched. The semiconductor chip C has a plurality of power transistors having a trench gate structure. Such a power transistor may be referred to as a power MOSFET (Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor).

図1に示すように、半導体チップCの表面は、主に、ソース電位電極SEおよびゲート電位電極GEで覆われている。半導体チップCの中央部付近の領域であるパッド領域PA内のソース電位電極SEの外周には、ゲート電位電極GEの一部が形成されており、更にその外周には、ソース電位電極SEの一部が形成されている。パッド領域PA内では、絶縁膜IF5の一部が除去されており、ソース電位電極SEの一部、および、ゲート電位電極GEの一部が露出している。これらの露出したソース電位電極SE上およびゲート電位電極GE上に、それぞれ、ワイヤボンディングまたはクリップ(銅板)などの外部接続端子が接続されることで、半導体チップCが、他チップまたは配線基板などと電気的に接続される。 As shown in FIG. 1, the surface of the semiconductor chip C is mainly covered with the source potential electrode SE and the gate potential electrode GE. A part of the gate potential electrode GE is formed on the outer periphery of the source potential electrode SE in the pad region PA, which is a region near the central portion of the semiconductor chip C, and one of the source potential electrodes SE is further formed on the outer periphery thereof. The part is formed. In the pad region PA, a part of the insulating film IF5 is removed, and a part of the source potential electrode SE and a part of the gate potential electrode GE are exposed. By connecting external connection terminals such as wire bonding or clips (copper plates) on these exposed source potential electrodes SE and gate potential electrodes GE, respectively, the semiconductor chip C can be connected to other chips or wiring boards. It is electrically connected.

図2は、半導体チップCの要部平面図であり、図1に示されるパッド領域PA内のソース電位電極SE下の一部の平面図に対応している。図3は、図2のA-A線に沿った断面図である。 FIG. 2 is a plan view of a main part of the semiconductor chip C, and corresponds to a plan view of a part under the source potential electrode SE in the pad region PA shown in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG.

図2では、本実施の形態の主な特徴に密接に関係する構成である、溝TR内に形成されたゲート電極G、n型半導体層NE2およびp型不純物領域PTのみを示しており、他の構成については、図示を省略している。また、溝TR内に形成されたゲート電極Gは破線で示されており、図2は平面図であるが、図面を見易くするため、溝TR内に形成されたゲート電極Gにハッチングを付している。 FIG. 2 shows only the gate electrode G, the n-type semiconductor layer NE2, and the p-type impurity region PT formed in the groove TR, which are configurations closely related to the main features of the present embodiment, and others. The configuration of is omitted from the illustration. Further, the gate electrode G formed in the groove TR is shown by a broken line, and FIG. 2 is a plan view, but in order to make the drawing easier to see, the gate electrode G formed in the groove TR is hatched. ing.

図2に示されるように、溝TR、ゲート電極G、n型半導体層NE2およびp型不純物領域PTは、それぞれY方向に延在している。すなわち、溝TR、ゲート電極G、n型半導体層NE2およびp型不純物領域PTの各々の平面形状は、Y方向に長辺を有する矩形状であり、これらのY方向における長さは、それぞれ、これらのX方向における長さより大きい。また、溝TR、ゲート電極G、n型半導体層NE2およびp型不純物領域PTは、X方向において、繰り返し配置されている。また、本実施の形態では、Y方向に垂直な断面において、ゲート電極Gの中央から厚さ方向(Z方向)に中央線を引いた時、X方向で互いに隣接する2つp型不純物領域PTは、上記中央線に対して、対称となるように配置されている。 As shown in FIG. 2, the groove TR, the gate electrode G, the n-type semiconductor layer NE2, and the p-type impurity region PT each extend in the Y direction. That is, the planar shapes of the groove TR, the gate electrode G, the n-type semiconductor layer NE2, and the p-type impurity region PT are rectangular with long sides in the Y direction, and the lengths in the Y direction are different. Greater than these lengths in the X direction. Further, the groove TR, the gate electrode G, the n-type semiconductor layer NE2, and the p-type impurity region PT are repeatedly arranged in the X direction. Further, in the present embodiment, when the center line is drawn from the center of the gate electrode G in the thickness direction (Z direction) in the cross section perpendicular to the Y direction, the two p-type impurity regions PT adjacent to each other in the X direction are PT. Are arranged so as to be symmetrical with respect to the center line.

後で詳細に説明するが、本実施の形態の特徴の一つとして、平面視において、溝TR内に形成されたゲート電極Gの少なくとも一部は、n型半導体層NE2と重なる位置に配置されている。 As will be described in detail later, as one of the features of the present embodiment, at least a part of the gate electrode G formed in the groove TR is arranged at a position overlapping with the n-type semiconductor layer NE2 in a plan view. ing.

次に、図3を用いて、本実施の形態におけるトレンチゲート構造のパワートランジスタの断面構造を説明する。 Next, with reference to FIG. 3, a cross-sectional structure of a power transistor having a trench gate structure according to the present embodiment will be described.

本実施の形態で使用される半導体基板SBは、シリコンおよび炭素を含んで構成された基板であり、具体的には、n型の不純物が導入された炭化シリコン(SiC)基板である。半導体基板SBの上面(第1面)上には、ドリフト層DRが形成されており、半導体基板SBの裏面(第2面)には、金属膜からなるドレイン電位電極DEが形成されている。半導体基板SBおよびドリフト層DRは、それぞれ、パワートランジスタのドレイン領域の一部を構成し、ドレイン電位電極DEと電気的に接続され、ドレイン電位電極DEを介して、パワートランジスタの動作時にドレイン電位が印加される。 The semiconductor substrate SB used in the present embodiment is a substrate composed of silicon and carbon, and specifically, is a silicon carbide (SiC) substrate into which an n-type impurity is introduced. A drift layer DR is formed on the upper surface (first surface) of the semiconductor substrate SB, and a drain potential electrode DE made of a metal film is formed on the back surface (second surface) of the semiconductor substrate SB. The semiconductor substrate SB and the drift layer DR each form a part of the drain region of the power transistor, are electrically connected to the drain potential electrode DE, and the drain potential is measured during the operation of the power transistor via the drain potential electrode DE. Applied.

ドリフト層DRは、n型半導体層NE1~NE3、および、p型不純物領域PTを有する。n型半導体層NE1は、半導体基板SB上に形成されており、n型半導体層NE3は、n型半導体層NE1上に形成されており、n型半導体層NE2は、n型半導体層NE1とn型半導体層NE3との間に形成されている。これらのn型半導体層NE1~NE3は、それぞれ、SiC基板である半導体基板SB上に、エピタキシャル法によって形成された半導体層である。このため、n型半導体層NE1~NE3は、それぞれ、SiCによって構成されている。また、n型半導体層NE2の不純物濃度は、n型半導体層NE1の不純物濃度、および、n型半導体層NE3の不純物濃度よりも高い。また、n型半導体層NE1の不純物濃度は、n型半導体層NE3の不純物濃度と同程度である。 The drift layer DR has n-type semiconductor layers NE1 to NE3 and a p-type impurity region PT. The n-type semiconductor layer NE1 is formed on the semiconductor substrate SB, the n-type semiconductor layer NE3 is formed on the n-type semiconductor layer NE1, and the n-type semiconductor layer NE2 is the n-type semiconductor layers NE1 and n. It is formed between the type semiconductor layer NE3 and the type semiconductor layer NE3. Each of these n-type semiconductor layers NE1 to NE3 is a semiconductor layer formed by an epitaxial method on a semiconductor substrate SB which is a SiC substrate. Therefore, the n-type semiconductor layers NE1 to NE3 are each composed of SiC. Further, the impurity concentration of the n-type semiconductor layer NE2 is higher than the impurity concentration of the n-type semiconductor layer NE1 and the impurity concentration of the n-type semiconductor layer NE3. The impurity concentration of the n-type semiconductor layer NE1 is about the same as the impurity concentration of the n-type semiconductor layer NE3.

p型不純物領域PTは、n型半導体層NE3とn型半導体層NE1との間に、複数形成されている。互いに隣接するp型不純物領域PTの間には、n型半導体層NE2が形成されている。すなわち、平面視において、互いに隣接するp型不純物領域PTは、n型半導体層NE2を挟むように形成されている。後で詳細に説明するが、p型不純物領域PTの厚さは、n型半導体層NE2の厚さと同じでもよいし、n型半導体層NE2の厚さよりも厚くても薄くてもよい。本実施の形態では、p型不純物領域PTの厚さは、n型半導体層NE2の厚さよりも薄く、p型不純物領域PTが、n型半導体層NE2内に形成されている場合を例示している。このため、図3では、p型不純物領域PTとn型半導体層NE1との間に、n型半導体層NE2が形成されている。 A plurality of p-type impurity region PTs are formed between the n-type semiconductor layer NE3 and the n-type semiconductor layer NE1. An n-type semiconductor layer NE2 is formed between the p-type impurity regions PT adjacent to each other. That is, in a plan view, the p-type impurity regions PT adjacent to each other are formed so as to sandwich the n-type semiconductor layer NE2. As will be described in detail later, the thickness of the p-type impurity region PT may be the same as the thickness of the n-type semiconductor layer NE2, or may be thicker or thinner than the thickness of the n-type semiconductor layer NE2. In the present embodiment, the thickness of the p-type impurity region PT is thinner than the thickness of the n-type semiconductor layer NE2, and the case where the p-type impurity region PT is formed in the n-type semiconductor layer NE2 is exemplified. There is. Therefore, in FIG. 3, the n-type semiconductor layer NE2 is formed between the p-type impurity region PT and the n-type semiconductor layer NE1.

ドリフト層DRの上層であるn型半導体層NE3の表面側には、p型のチャネル領域(不純物領域)PCが形成されており、チャネル領域PCの表面側には、n型のソース領域(不純物領域)NS、および、p型のボディ領域(不純物領域)PBが形成されている。ソース領域NSおよびボディ領域PBは、それぞれ、ソース電位電極SEと電気的に接続され、ソース電位電極SEを介して、パワートランジスタの動作時にソース電位が印加される。ボディ領域PBは、ソース電位電極SEがチャネル領域PCと接続する際に、接触抵抗を低減させる目的で設けられた領域である。このため、ボディ領域PBの不純物濃度は、チャネル領域PCの不純物濃度よりも高い。 A p-type channel region (impurity region) PC is formed on the surface side of the n-type semiconductor layer NE3, which is the upper layer of the drift layer DR, and an n-type source region (impurity region) is formed on the surface side of the channel region PC. Region) NS and p-type body region (impurity region) PB are formed. The source region NS and the body region PB are each electrically connected to the source potential electrode SE, and the source potential is applied during the operation of the power transistor via the source potential electrode SE. The body region PB is a region provided for the purpose of reducing contact resistance when the source potential electrode SE is connected to the channel region PC. Therefore, the impurity concentration of the body region PB is higher than the impurity concentration of the channel region PC.

また、ソース領域NSおよびボディ領域PBの表面に、ソース電位電極SEとの接触抵抗を更に低減させる目的で、シリサイド層を形成してもよい。シリサイド層は、例えばチタンシリサイド(TiSi)、コバルトシリサイド(CoSi)またはニッケルシリサイド(NiSi)からなる。本実施の形態では、このシリサイド層の図示を省略している。 Further, a silicide layer may be formed on the surfaces of the source region NS and the body region PB for the purpose of further reducing the contact resistance with the source potential electrode SE. The silicide layer is made of, for example, titanium silicide (TiSi 2 ), cobalt silicide (CoSi 2 ) or nickel silicide (NiSi). In this embodiment, the illustration of this silicide layer is omitted.

半導体基板SBの表面側には、溝TRが形成されている。溝TRは、ソース領域NSおよびチャネル領域PCを貫通し、n型半導体層NE3に達するように形成されている。すなわち、溝TRの底部は、n型半導体層NE3内に位置している。また、溝TRは、2つのソース領域NSの間に位置するように形成されている。 A groove TR is formed on the surface side of the semiconductor substrate SB. The groove TR is formed so as to penetrate the source region NS and the channel region PC and reach the n-type semiconductor layer NE3. That is, the bottom of the groove TR is located in the n-type semiconductor layer NE3. Further, the groove TR is formed so as to be located between the two source regions NS.

溝TRの内部には、ゲート絶縁膜GIを介して、ゲート電極Gが埋め込まれている。ゲート電極Gは、ゲート電位電極GEと電気的に接続し、パワートランジスタの動作時にゲート電位が印加される。ゲート絶縁膜GIは、例えば酸化シリコン膜であり、ゲート電極Gは、例えばn型の不純物が導入された多結晶シリコン膜である。また、ゲート絶縁膜GIとしては、酸化シリコン膜に代えて、酸化アルミニウム膜または酸化ハフニウム膜などのように、酸化シリコン膜よりも誘電率の高い高誘電率膜を用いてもよい。 A gate electrode G is embedded in the groove TR via a gate insulating film GI. The gate electrode G is electrically connected to the gate potential electrode GE, and the gate potential is applied during the operation of the power transistor. The gate insulating film GI is, for example, a silicon oxide film, and the gate electrode G is, for example, a polycrystalline silicon film into which an n-type impurity is introduced. Further, as the gate insulating film GI, a high dielectric constant film having a higher dielectric constant than the silicon oxide film, such as an aluminum oxide film or a hafnium oxide film, may be used instead of the silicon oxide film.

ここで、p型不純物領域PTと、溝TR内のゲート電極Gとの関係について説明する。溝TR内のゲート電極Gの底部(溝TRの底部)付近、特に溝TRの角部付近は、パワートランジスタの動作時に、強い電界が発生する領域であり、ゲート絶縁膜GIの破壊が起こり易い領域である。p型不純物領域PTは、主に、この電界を緩和するために設けられている。溝TRの下部のドリフト層DR内にp型不純物領域PTを設けることで、電界が緩和されるので、ゲート絶縁膜GIの破壊を抑制でき、ドリフト層DR全体の耐圧を向上させることができる。 Here, the relationship between the p-type impurity region PT and the gate electrode G in the groove TR will be described. The vicinity of the bottom of the gate electrode G (the bottom of the groove TR) in the groove TR, particularly the vicinity of the corner of the groove TR, is a region where a strong electric field is generated during the operation of the power transistor, and the gate insulating film GI is easily destroyed. It is an area. The p-type impurity region PT is mainly provided to relax this electric field. By providing the p-type impurity region PT in the drift layer DR below the groove TR, the electric field is relaxed, so that the destruction of the gate insulating film GI can be suppressed and the withstand voltage of the entire drift layer DR can be improved.

また、本実施の形態では、Y方向に垂直な断面において、ゲート電極Gの中央から厚さ方向に中央線を引いた時、X方向で互いに隣接する2つp型不純物領域PTは、上記中央線に対して、対称となるように配置されている。 Further, in the present embodiment, when the center line is drawn from the center of the gate electrode G in the thickness direction in the cross section perpendicular to the Y direction, the two p-type impurity region PTs adjacent to each other in the X direction are in the center. They are arranged so as to be symmetrical with respect to the line.

また、上述のように、平面視において、溝TR内に形成されたゲート電極Gの少なくとも一部は、n型半導体層NE2と重なる位置に配置されている。言い換えれば、断面視において、溝TR内に形成されたゲート電極Gの少なくとも一部の直下には、n型半導体層NE2が形成されている。本実施の形態においては、溝TR内に形成されたゲート電極Gの2つの角部を結ぶ底部全体の直下に、n型半導体層NE2が形成されている。 Further, as described above, in a plan view, at least a part of the gate electrode G formed in the groove TR is arranged at a position overlapping with the n-type semiconductor layer NE2. In other words, in the cross-sectional view, the n-type semiconductor layer NE2 is formed immediately below at least a part of the gate electrode G formed in the groove TR. In the present embodiment, the n-type semiconductor layer NE2 is formed directly below the entire bottom portion connecting the two corner portions of the gate electrode G formed in the groove TR.

なお、本実施の形態で表現する「直下」とは、一方の対象物の下方を意味し、一方の対象物と、他方の対象物とが物理的に直接接していない状態も含まれる。言い換えれば、「直下」とは、平面視において、一方の対象物と、他方の対象物とが重なっている状態を意味する。例えば、図3において、n型半導体層NE2は、溝TRおよびゲート電極Gの下方に形成されており、溝TRおよびゲート電極Gと物理的に接していない。 The term "directly below" expressed in the present embodiment means the lower part of one object, and includes a state in which one object and the other object are not in direct physical contact with each other. In other words, "directly below" means a state in which one object and the other object overlap in a plan view. For example, in FIG. 3, the n-type semiconductor layer NE2 is formed below the groove TR and the gate electrode G, and is not physically in contact with the groove TR and the gate electrode G.

ソース領域NS上には、ゲート絶縁膜GIの一部が形成され、このゲート絶縁膜GIの一部およびゲート電極Gの各々の上面には、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁膜ILが形成されている。そして、層間絶縁膜IL内には、コンタクトホールCHが形成されている。コンタクトホールCHは、層間絶縁膜ILおよびゲート絶縁膜GIを貫通し、ソース領域NSおよびボディ領域PBに達するように形成されている。 A part of the gate insulating film GI is formed on the source region NS, and an interlayer insulating film IL made of, for example, silicon oxide is formed on the upper surface of each of the part of the gate insulating film GI and the gate electrode G. There is. A contact hole CH is formed in the interlayer insulating film IL. The contact hole CH is formed so as to penetrate the interlayer insulating film IL and the gate insulating film GI and reach the source region NS and the body region PB.

層間絶縁膜IL上には、ソース電位電極SEが形成され、コンタクトホールCH内にはソース電位電極SEが埋め込まれている。すなわち、ソース電位電極SEは、ソース領域NSおよびボディ領域PBと電気的に接続されている。ソース電位電極SEは、例えばアルミニウムを主体とする導電性膜からなる。また、ソース電位電極SEは、例えば窒化チタンからなるバリアメタル膜と、アルミニウムを主体とする導電性膜との積層膜としてもよい。なお、図3では図示していないが、図1で示したゲート電位電極GEも、ソース電位電極SEと同じように形成されており、ゲート電位電極GEは、ゲート電極Gと電気的に接続されている。 A source potential electrode SE is formed on the interlayer insulating film IL, and the source potential electrode SE is embedded in the contact hole CH. That is, the source potential electrode SE is electrically connected to the source region NS and the body region PB. The source potential electrode SE is made of, for example, a conductive film mainly made of aluminum. Further, the source potential electrode SE may be a laminated film of, for example, a barrier metal film made of titanium nitride and a conductive film mainly made of aluminum. Although not shown in FIG. 3, the gate potential electrode GE shown in FIG. 1 is also formed in the same manner as the source potential electrode SE, and the gate potential electrode GE is electrically connected to the gate electrode G. ing.

ソース電位電極SE上には、例えばポリイミドなどの樹脂からなる絶縁膜IF5が形成されている。図3では図示していないが、図1で示したパッド領域PAにおいて、絶縁膜IF5には、ソース電位電極SEの一部、および、ゲート電位電極GEの一部を露出するように、開口部が設けられている。 An insulating film IF5 made of a resin such as polyimide is formed on the source potential electrode SE. Although not shown in FIG. 3, in the pad region PA shown in FIG. 1, an opening is provided in the insulating film IF5 so as to expose a part of the source potential electrode SE and a part of the gate potential electrode GE. Is provided.

また、図3において、破線で囲まれた領域は、単位セルUCを示している。本実施の形態において、単位セルUCは、1つのゲート電極Gと、1つのゲート電極Gの両側に各々形成された、ソース領域NS、ボディ領域PBおよびチャネル領域PCと、ドリフト層DRと、半導体基板SBとを含む。本実施の形態では、単位セルUCを、ゲート電極Gの一方の側面側に形成されたボディ領域PBの中心から、ゲート電極Gの他方の側面側に形成されたボディ領域PBの中心までの領域として、定義している。半導体チップCには、複数の単位セルUCが繰り返し配置されている。 Further, in FIG. 3, the area surrounded by the broken line indicates the unit cell UC. In the present embodiment, the unit cell UC is a source region NS, a body region PB, a channel region PC, a drift layer DR, and a semiconductor formed on both sides of one gate electrode G and one gate electrode G, respectively. Includes substrate SB. In the present embodiment, the unit cell UC is a region from the center of the body region PB formed on one side surface side of the gate electrode G to the center of the body region PB formed on the other side surface side of the gate electrode G. Is defined as. A plurality of unit cells UC are repeatedly arranged on the semiconductor chip C.

また、図3では、単位セルUCの幅を、距離L6として示している。距離L1~L5については、後で本実施の形態の主な特徴を説明する際に使用する。 Further, in FIG. 3, the width of the unit cell UC is shown as a distance L6. The distances L1 to L5 will be used later when the main features of the present embodiment are explained.

なお、本実施の形態では、単位セルUCの幅である距離L6は、上記の2つのボディ領域PBの各々の中心を結ぶ距離として表しているが、例えば、Y方向に垂直な断面において、ゲート電極Gの中央から厚さ方向に中央線を引いた時、X方向に隣接する2つのゲート電極の各々の中央線を結ぶ距離を、距離L6として表すこともできる。 In the present embodiment, the distance L6, which is the width of the unit cell UC, is represented as the distance connecting the centers of the two body regions PB described above. For example, in a cross section perpendicular to the Y direction, the gate is formed. When the center line is drawn from the center of the electrode G in the thickness direction, the distance connecting the center lines of the two gate electrodes adjacent to each other in the X direction can be expressed as the distance L6.

<半導体装置の製造方法>
以下に、図4~図14を用いて、本実施の形態の半導体装置の製造方法を説明する。図4~図14では、説明の簡略化のため、図3の単位セルUCに対応する領域のみを示している。
<Manufacturing method of semiconductor devices>
Hereinafter, a method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 4 to 14. 4 to 14 show only the area corresponding to the unit cell UC of FIG. 3 for the sake of brevity.

まず、図4に示されるように、エピタキシャル層が形成されたSiCからなる半導体基板SBを用意する。エピタキシャル層は、SiCからなる半導体層であり、n型の不純物が導入されたn型半導体層NE1の単層構造、または、n型半導体層NE1と、n型の不純物が導入されたn型半導体層NE2との積層構造からなる。ここで、n型半導体層NE2の不純物濃度は、n型半導体層NE1の不純物濃度よりも高い。n型半導体層NE1は、例えば、1×1016/cm程度の不純物濃度を有し、8.6μm程度の厚さを有する。n型半導体層NE2は、例えば、4×1016/cm程度の不純物濃度を有し、0.4μm程度の厚さを有する。 First, as shown in FIG. 4, a semiconductor substrate SB made of SiC on which an epitaxial layer is formed is prepared. The epitaxial layer is a semiconductor layer made of SiC, and has a single-layer structure of an n-type semiconductor layer NE1 into which an n-type impurity is introduced, or an n-type semiconductor layer NE1 and an n-type semiconductor into which an n-type impurity is introduced. It has a laminated structure with layer NE2. Here, the impurity concentration of the n-type semiconductor layer NE2 is higher than the impurity concentration of the n-type semiconductor layer NE1. The n-type semiconductor layer NE1 has, for example, an impurity concentration of about 1 × 10 16 / cm 3 and a thickness of about 8.6 μm. The n-type semiconductor layer NE2 has, for example, an impurity concentration of about 4 × 10 16 / cm 3 and a thickness of about 0.4 μm.

n型半導体層NE1は、半導体基板SBの上面上に、n型の不純物を導入しながらエピタキシャル成長をさせることで形成される。n型半導体層NE2は、n型半導体層NE1上に、n型の不純物を導入しながらエピタキシャル成長をさせる、または、n型半導体層NE1の表面に、n型の不純物をイオン注入することで形成される。 The n-type semiconductor layer NE1 is formed by epitaxially growing on the upper surface of the semiconductor substrate SB while introducing n-type impurities. The n-type semiconductor layer NE2 is formed by epitaxial growth while introducing n-type impurities onto the n-type semiconductor layer NE1, or by ion-injecting n-type impurities onto the surface of the n-type semiconductor layer NE1. To.

図5は、p型不純物領域PTの形成工程を示している。 FIG. 5 shows a step of forming a p-type impurity region PT.

まず、n型半導体層NE2上に、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法によって、例えば酸化シリコンからなる絶縁膜IF1を形成する。次に、フォトリソグラフィ法およびエッチング処理によって、絶縁膜IF1をパターニングする。次に、パターニングされた絶縁膜IF1をマスクとしてイオン注入を行うことで、n型半導体層NE2内に、p型不純物領域PTを形成する。このイオン注入は、アルミニウム(Al)イオンが用いられ、例えば、注入エネルギーを150KeV程度とし、ドーズ量を5×1013/cm程度とした条件で行われる。 First, an insulating film IF1 made of, for example, silicon oxide is formed on the n-type semiconductor layer NE2 by, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Next, the insulating film IF1 is patterned by a photolithography method and an etching process. Next, by performing ion implantation using the patterned insulating film IF1 as a mask, a p-type impurity region PT is formed in the n-type semiconductor layer NE2. This ion implantation is performed under the conditions that aluminum (Al) ions are used, for example, the implantation energy is about 150 KeV and the dose amount is about 5 × 10 13 / cm 2 .

また、p型不純物領域PTの厚さは、n型半導体層NE2の厚さと同じでもよいし、n型半導体層NE2の厚さよりも厚くても薄くてもよい。本実施の形態では、p型不純物領域PTの厚さは、n型半導体層NE2の厚さよりも薄く、p型不純物領域PTが、n型半導体層NE2内に形成されている場合を例示している。 Further, the thickness of the p-type impurity region PT may be the same as the thickness of the n-type semiconductor layer NE2, or may be thicker or thinner than the thickness of the n-type semiconductor layer NE2. In the present embodiment, the thickness of the p-type impurity region PT is thinner than the thickness of the n-type semiconductor layer NE2, and the case where the p-type impurity region PT is formed in the n-type semiconductor layer NE2 is exemplified. There is.

その後、絶縁膜IF1を、例えば、フッ酸を含む溶液を用いたウェットエッチング処理によって除去する。 Then, the insulating film IF1 is removed by, for example, a wet etching treatment using a solution containing hydrofluoric acid.

図6は、n型半導体層NE3の形成工程を示している。 FIG. 6 shows a process of forming the n-type semiconductor layer NE3.

n型半導体層NE3は、n型半導体層NE2上およびp型不純物領域PT上に、n型の不純物を導入しながらエピタキシャル成長をさせることで形成される。n型半導体層NE3の不純物濃度は、n型半導体層NE2の不純物濃度よりも低く、n型半導体層NE1の不純物濃度と同程度である。n型半導体層NE3は、例えば、1×1016/cm程度の不純物濃度を有し、3.0μm程度の厚さを有する。 The n-type semiconductor layer NE3 is formed by epitaxial growth while introducing n-type impurities on the n-type semiconductor layer NE2 and the p-type impurity region PT. The impurity concentration of the n-type semiconductor layer NE3 is lower than the impurity concentration of the n-type semiconductor layer NE2, and is about the same as the impurity concentration of the n-type semiconductor layer NE1. The n-type semiconductor layer NE3 has, for example, an impurity concentration of about 1 × 10 16 / cm 3 and a thickness of about 3.0 μm.

図7は、p型のチャネル領域PCの形成工程を示している。 FIG. 7 shows a process of forming a p-type channel region PC.

p型のチャネル領域PCは、例えば、アルミニウム(Al)イオンを用いたイオン注入によって、n型半導体層NE3内に形成される。 The p-type channel region PC is formed in the n-type semiconductor layer NE3 by ion implantation using, for example, aluminum (Al) ions.

図8は、n型のソース領域NSの形成工程を示している。 FIG. 8 shows a process of forming an n-type source region NS.

まず、p型不純物領域PT上に、例えばCVD法によって、例えば酸化シリコンからなる絶縁膜IF2を形成する。次に、フォトリソグラフィ法およびエッチング処理によって、絶縁膜IF2をパターニングする。次に、パターニングされた絶縁膜IF2をマスクとして、窒素(N)イオンを用いたイオン注入を行うことで、p型不純物領域PT内に、選択的にn型のソース領域NSを形成する。 First, an insulating film IF2 made of, for example, silicon oxide is formed on the p-type impurity region PT by, for example, a CVD method. Next, the insulating film IF2 is patterned by a photolithography method and an etching process. Next, by performing ion implantation using nitrogen (N) ions using the patterned insulating film IF2 as a mask, an n-type source region NS is selectively formed in the p-type impurity region PT.

その後、絶縁膜IF2を、例えば、フッ酸を含む溶液を用いたウェットエッチング処理によって除去する。 Then, the insulating film IF2 is removed by, for example, a wet etching treatment using a solution containing hydrofluoric acid.

図9は、p型のボディ領域PBの形成工程を示している。 FIG. 9 shows a step of forming a p-shaped body region PB.

まず、ソース領域NS上に、例えばCVD法によって、例えば酸化シリコンからなる絶縁膜IF3を形成する。次に、フォトリソグラフィ法およびエッチング処理によって、絶縁膜IF3をパターニングする。次に、パターニングされた絶縁膜IF3をマスクとして、アルミニウム(Al)イオンを用いたイオン注入を行うことで、ソース領域NSに隣接し、チャネル領域PCに達するp型のボディ領域PBを形成する。 First, an insulating film IF3 made of, for example, silicon oxide is formed on the source region NS by, for example, a CVD method. Next, the insulating film IF3 is patterned by a photolithography method and an etching process. Next, by performing ion implantation using aluminum (Al) ions using the patterned insulating film IF3 as a mask, a p-type body region PB adjacent to the source region NS and reaching the channel region PC is formed.

その後、絶縁膜IF3を、例えば、フッ酸を含む溶液を用いたウェットエッチング処理によって除去する。 Then, the insulating film IF3 is removed by, for example, a wet etching treatment using a solution containing hydrofluoric acid.

図10は、溝TRの形成工程を示している。 FIG. 10 shows a process of forming the groove TR.

まず、ソース領域NS上およびボディ領域PB上に、例えばCVD法によって、例えば酸化シリコンからなる絶縁膜IF4を形成する。次に、フォトリソグラフィ法およびエッチング処理によって、絶縁膜IF4をパターニングする。次に、パターニングされた絶縁膜IF4をマスクとして、ドライエッチング処理を行うことで、ソース領域NSおよびチャネル領域PCを貫通し、n型半導体層NE3に達する溝TRを形成する。溝TRの幅は0.8μm程度であり、溝TRの深さは1.2μm程度である。なお、このドライエッチング処理は、CFまたはSFなどのフッ素を含む分子からなるガスを用いて行われる。 First, an insulating film IF4 made of, for example, silicon oxide is formed on the source region NS and the body region PB by, for example, a CVD method. Next, the insulating film IF4 is patterned by a photolithography method and an etching process. Next, by performing a dry etching process using the patterned insulating film IF4 as a mask, a groove TR that penetrates the source region NS and the channel region PC and reaches the n-type semiconductor layer NE3 is formed. The width of the groove TR is about 0.8 μm, and the depth of the groove TR is about 1.2 μm. This dry etching process is performed using a gas composed of fluorine-containing molecules such as CF 4 or SF 6 .

その後、絶縁膜IF4を、例えば、フッ酸を含む溶液を用いたウェットエッチング処理によって除去する。 Then, the insulating film IF4 is removed by, for example, a wet etching treatment using a solution containing hydrofluoric acid.

図11は、ゲート絶縁膜GIおよびゲート電極Gの形成工程を示している。 FIG. 11 shows a process of forming the gate insulating film GI and the gate electrode G.

まず、溝TR内、ソース領域NS上およびボディ領域PB上に、例えばCVD法によって、例えば酸化シリコンからなるゲート絶縁膜GIを形成する。ゲート絶縁膜GIとしては、酸化シリコン膜に代えて、酸化アルミニウムまたは酸化ハフニウム膜などのように、酸化シリコン膜よりも誘電率の高い高誘電率膜を用いてもよい。 First, a gate insulating film GI made of, for example, silicon oxide is formed in the groove TR, on the source region NS, and on the body region PB, for example, by a CVD method. As the gate insulating film GI, a high dielectric constant film having a higher dielectric constant than the silicon oxide film, such as aluminum oxide or hafnium oxide film, may be used instead of the silicon oxide film.

次に、溝TR内を埋め込むように、ゲート絶縁膜GI上に、例えばCVD法によって、例えば多結晶シリコンからなる導電性膜を形成する。次に、上記導電性膜上に、上記導電性膜の一部を覆うレジストパターンRP1を形成する。次に、このレジストパターンRP1をマスクとして、ドライエッチング処理を行うことで、レジストパターンRP1から露出している上記導電性膜を除去する。これにより、残された上記導電性膜からなるゲート電極Gが形成される。 Next, a conductive film made of, for example, polycrystalline silicon is formed on the gate insulating film GI so as to be embedded in the groove TR by, for example, a CVD method. Next, a resist pattern RP1 covering a part of the conductive film is formed on the conductive film. Next, the conductive film exposed from the resist pattern RP1 is removed by performing a dry etching process using the resist pattern RP1 as a mask. As a result, the gate electrode G made of the remaining conductive film is formed.

その後、レジストパターンRP1をアッシング処理などによって除去する。 After that, the resist pattern RP1 is removed by an ashing process or the like.

図12は、層間絶縁膜ILの形成工程を示している。 FIG. 12 shows a process of forming the interlayer insulating film IL.

溝TRの外部に形成されているゲート電極Gの側面および上面を覆うように、ゲート絶縁膜GI上に、例えばCVD法によって、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁膜ILを形成する。層間絶縁膜ILは、酸化シリコン膜に限られず、窒化シリコン膜または酸窒化シリコン膜などの他の絶縁膜で形成してもよい。 An interlayer insulating film IL made of, for example, silicon oxide is formed on the gate insulating film GI, for example, by a CVD method so as to cover the side surface and the upper surface of the gate electrode G formed outside the groove TR. The interlayer insulating film IL is not limited to the silicon oxide film, and may be formed of another insulating film such as a silicon nitride film or a silicon oxynitride film.

図13は、コンタクトホールCHの形成工程を示している。 FIG. 13 shows a process of forming a contact hole CH.

まず、層間絶縁膜IL上に、層間絶縁膜ILの一部を覆い、且つ、溝TRの外部のゲート電極Gの幅よりも広い幅を有するレジストパターンRP2を形成する。次に、このレジストパターンRP2をマスクとして、ドライエッチング処理を行うことで、層間絶縁膜ILおよびゲート絶縁膜GIが除去される。これにより、層間絶縁膜IL中およびゲート絶縁膜GI中に、ソース領域NSの一部、および、ボディ領域PBに達するコンタクトホールCHが形成される。 First, a resist pattern RP2 that covers a part of the interlayer insulating film IL and has a width wider than the width of the gate electrode G outside the groove TR is formed on the interlayer insulating film IL. Next, the interlayer insulating film IL and the gate insulating film GI are removed by performing a dry etching process using the resist pattern RP2 as a mask. As a result, a part of the source region NS and a contact hole CH reaching the body region PB are formed in the interlayer insulating film IL and the gate insulating film GI.

その後、レジストパターンRP2をアッシング処理などによって除去する。 After that, the resist pattern RP2 is removed by an ashing process or the like.

また、本実施の形態では図示していないが、コンタクトホールCHの形成工程後に、ソース領域NSの一部、および、ボディ領域PBの各々の上面に、シリサイド層を形成してもよい。その場合、シリサイド層は、具体的には次のようにして形成することができる。まず、ソース領域NSの一部、および、ボディ領域PBの各々の上面に、例えばチタン(Ti)、コバルト(Co)またはニッケル(Ni)からなるシリサイド層形成用の金属膜を形成する。次に、この金属膜に熱処理を施すことによって、ソース領域NSの一部、および、ボディ領域PBを構成する材料と、金属膜とを反応させることで、例えばチタンシリサイド(TiSi)、コバルトシリサイド(CoSi)またはニッケルシリサイド(NiSi)からなるシリサイド層が形成される。その後、未反応の金属膜を除去する。 Further, although not shown in the present embodiment, after the contact hole CH forming step, a silicide layer may be formed on a part of the source region NS and the upper surface of each of the body region PB. In that case, the silicide layer can be specifically formed as follows. First, a metal film for forming a silicide layer made of, for example, titanium (Ti), cobalt (Co) or nickel (Ni) is formed on a part of the source region NS and the upper surface of each of the body region PB. Next, by heat-treating the metal film, a part of the source region NS and the material constituting the body region PB are reacted with the metal film, for example, titanium silicide (TiSi 2 ) and cobalt silicide. A silicide layer made of (CoSi 2 ) or nickel silicide (NiSi) is formed. Then, the unreacted metal film is removed.

図14は、ソース電位電極SE、絶縁膜IF5およびドレイン電位電極DEの形成工程を示している。 FIG. 14 shows a process of forming the source potential electrode SE, the insulating film IF5, and the drain potential electrode DE.

まず、コンタクトホールCH内を埋め込むように、層間絶縁膜IL上に、例えばスパッタリング法によって、例えばアルミニウムを主体とする導電性膜を形成する。次に、フォトリソグラフィ法およびエッチング処理によって、この導電性膜をパターニングすることで、ソース領域NSおよびボディ領域PBと電気的に接続するソース電位電極SEが形成される。また、上記導電性膜の形成前に、例えば窒化チタンからなるバリアメタル膜を形成し、ソース電位電極SEを、バリアメタル膜と、上記導電性膜との積層膜としてもよい。なお、ここでは図示していないが、図1で示したゲート電位電極GEも、ソース電位電極SEと同じように形成されており、ゲート電位電極GEは、ゲート電極Gと電気的に接続されている。 First, a conductive film mainly made of aluminum is formed on the interlayer insulating film IL so as to be embedded in the contact hole CH, for example, by a sputtering method. Next, by patterning the conductive film by a photolithography method and an etching process, a source potential electrode SE that is electrically connected to the source region NS and the body region PB is formed. Further, before forming the conductive film, for example, a barrier metal film made of titanium nitride may be formed, and the source potential electrode SE may be a laminated film of the barrier metal film and the conductive film. Although not shown here, the gate potential electrode GE shown in FIG. 1 is also formed in the same manner as the source potential electrode SE, and the gate potential electrode GE is electrically connected to the gate electrode G. There is.

次に、ソース電位電極SE上に、例えば塗布法を用いて、例えばポリイミドなどの樹脂からなる絶縁膜IF5を形成する。その後、ここでは図示していないが、図1で示したパッド領域PAにおいて、絶縁膜IF5に、ソース電位電極SEの一部、および、ゲート電位電極GEの一部を露出するように、開口部を形成する。 Next, an insulating film IF5 made of a resin such as polyimide is formed on the source potential electrode SE by using, for example, a coating method. After that, although not shown here, in the pad region PA shown in FIG. 1, an opening is provided so as to expose a part of the source potential electrode SE and a part of the gate potential electrode GE to the insulating film IF5. To form.

次に、半導体基板SBの裏面に対して研磨処理を実施し、半導体基板SBを、所望の厚さまで薄くする。次に、半導体基板SBの裏面に、例えばスパッタリング法またはCVD法によって、例えば窒化チタン膜などの金属膜からなるドレイン電位電極DEを形成する。 Next, the back surface of the semiconductor substrate SB is subjected to a polishing treatment to thin the semiconductor substrate SB to a desired thickness. Next, a drain potential electrode DE made of a metal film such as a titanium nitride film is formed on the back surface of the semiconductor substrate SB by, for example, a sputtering method or a CVD method.

以上により、図3に示される半導体装置が製造される。 As a result, the semiconductor device shown in FIG. 3 is manufactured.

<検討例の説明>
図36を用いて、本願発明者が検討した検討例の半導体装置を説明する。
<Explanation of study examples>
With reference to FIG. 36, the semiconductor device of the study example examined by the inventor of the present application will be described.

検討例の半導体装置は、本実施の形態と同様に、SiCからなる半導体基板SBを用いたトレンチゲート構造のパワートランジスタである。図36は、本実施の形態の単位セルUCに対応する断面図である。図36に示されるように、検討例では、本実施の形態と同様に、ドリフト層DRとなる領域には、n型半導体層NE1、n型半導体層NE3およびp型不純物領域PTが形成されているが、本実施の形態と異なり、n型半導体層NE2が形成されていない。 The semiconductor device of the study example is a power transistor having a trench gate structure using a semiconductor substrate SB made of SiC, as in the present embodiment. FIG. 36 is a cross-sectional view corresponding to the unit cell UC of the present embodiment. As shown in FIG. 36, in the study example, the n-type semiconductor layer NE1, the n-type semiconductor layer NE3, and the p-type impurity region PT are formed in the region to be the drift layer DR, as in the present embodiment. However, unlike the present embodiment, the n-type semiconductor layer NE2 is not formed.

以下に、検討例の課題について説明する。 The issues of the study example will be described below.

上述のように、p型不純物領域PTは、溝TR内のゲート電極Gの底部(溝TRの底部)付近、特に溝TRの角部付近で発生する電界を緩和するために設けられている。p型不純物領域PTの幅を広げると、電界緩和効果が更に強くなり、ドリフト層DR全体の耐圧を向上させることができる。しかし、互いに隣接するp型不純物領域PTの間の距離が狭くなると、電流経路が狭まることになるので、結果的に、オン抵抗が増加するという課題がある。 As described above, the p-type impurity region PT is provided to alleviate the electric field generated near the bottom of the gate electrode G (bottom of the groove TR) in the groove TR, particularly near the corner of the groove TR. When the width of the p-type impurity region PT is widened, the electric field relaxation effect becomes stronger, and the withstand voltage of the entire drift layer DR can be improved. However, when the distance between the p-type impurity regions PT adjacent to each other becomes narrow, the current path becomes narrow, and as a result, there is a problem that the on-resistance increases.

オン抵抗の増加を抑制するためには、例えば、n型半導体層NE3の不純物濃度を増加させればよいが、これは、電界の集中が最も強くなる溝TRの角部において、耐圧が劣化する原因となる。同様に、n型半導体層NE1の不純物濃度を増加させることでも、オン抵抗を低くできるが、ドリフト層DR全体の耐圧が低下する。特に、ドリフト層DR内での厚さが最も厚い層であるn型半導体層NE1を高濃度にすると、耐圧低下の影響が大きくなる。このように、パワートランジスタの耐圧向上と、オン抵抗の低減とは、トレードオフの関係にあり、これら両方の性能を同時に向上させることが難しいという問題がある。 In order to suppress the increase in on-resistance, for example, the impurity concentration of the n-type semiconductor layer NE3 may be increased, but this causes the withstand voltage to deteriorate at the corner of the groove TR where the electric field concentration is the strongest. It causes. Similarly, the on-resistance can be lowered by increasing the impurity concentration of the n-type semiconductor layer NE1, but the withstand voltage of the entire drift layer DR is lowered. In particular, when the concentration of the n-type semiconductor layer NE1 which is the thickest layer in the drift layer DR is increased, the influence of the decrease in withstand voltage becomes large. As described above, there is a trade-off relationship between the improvement of the withstand voltage of the power transistor and the reduction of the on-resistance, and there is a problem that it is difficult to improve the performance of both of them at the same time.

<本実施の形態の半導体装置の主な特徴について>
以下に、図15~図21を用いて、本実施の形態の半導体装置の主な特徴および効果を説明する。図15~図21は、本願発明者が実施したシミュレーションの結果を示す図である。図15には、本実施の形態の結果だけでなく、比較対象として、上述の検討例の結果、および、後述の実施の形態2の結果も示されている。
<Main features of the semiconductor device of this embodiment>
Hereinafter, the main features and effects of the semiconductor device of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 15 to 21. 15 to 21 are diagrams showing the results of a simulation carried out by the inventor of the present application. FIG. 15 shows not only the results of the present embodiment but also the results of the above-mentioned study example and the results of the second embodiment described later as comparison targets.

図15に示される距離L1は、図3に示される距離L1に対応しており、互いに隣接するp型不純物領域PTの間の距離である。すなわち、距離L1は、平面視において、X方向における各p型不純物領域PTの間の距離である。 The distance L1 shown in FIG. 15 corresponds to the distance L1 shown in FIG. 3 and is the distance between the p-type impurity regions PT adjacent to each other. That is, the distance L1 is the distance between each p-type impurity region PT in the X direction in a plan view.

図15の縦軸は、パワートランジスタのオン抵抗を相対値で示し、距離L1が広くなる程に、オン抵抗が低くなり、オン抵抗が改善されることを表している。図15の横軸は、パワートランジスタの耐圧を相対値で示し、距離L1が狭くなる程に、耐圧が高くなり、耐圧が改善させることを表している。 The vertical axis of FIG. 15 shows the on-resistance of the power transistor as a relative value, and shows that the on-resistance decreases and the on-resistance improves as the distance L1 increases. The horizontal axis of FIG. 15 indicates the withstand voltage of the power transistor as a relative value, and the smaller the distance L1, the higher the withstand voltage and the better the withstand voltage.

図15に示されるように、本実施の形態の半導体装置は、パワートランジスタのオン抵抗および耐圧の両方において、検討例の半導体装置と比較して、優れていることが判る。 As shown in FIG. 15, it can be seen that the semiconductor device of the present embodiment is superior to the semiconductor device of the study example in both the on-resistance and the withstand voltage of the power transistor.

ここで、距離L1が広くなるということは、p型不純物領域PT自体の幅を狭くする、または、互いに隣接するp型不純物領域PTの間に形成されているn型半導体層NE2の幅を広くすることを意味する。逆に、距離L1が狭くなるということは、p型不純物領域PT自体の幅を広くする、または、n型半導体層NE2の幅を狭くすることを意味する。 Here, widening the distance L1 narrows the width of the p-type impurity region PT itself, or widens the width of the n-type semiconductor layer NE2 formed between the p-type impurity region PTs adjacent to each other. Means to do. On the contrary, narrowing the distance L1 means widening the width of the p-type impurity region PT itself or narrowing the width of the n-type semiconductor layer NE2.

本実施の形態では、検討例と異なり、互いに隣接するp型不純物領域PTの間に、高濃度の不純物領域であるn型半導体層NE2が形成されている。すなわち、電流経路となる領域に、低抵抗となるn型半導体層NE2が形成されているので、パワートランジスタのオン抵抗を低減することができる。また、溝TRの底部は、n型半導体層NE2よりも低濃度のn型半導体層NE3内に位置している。このため、溝TRの底部付近における耐圧を向上させることができている。 In the present embodiment, unlike the study example, the n-type semiconductor layer NE2, which is a high-concentration impurity region, is formed between the p-type impurity regions PT adjacent to each other. That is, since the n-type semiconductor layer NE2 having a low resistance is formed in the region serving as the current path, the on-resistance of the power transistor can be reduced. Further, the bottom portion of the groove TR is located in the n-type semiconductor layer NE3 having a lower concentration than that of the n-type semiconductor layer NE2. Therefore, the withstand voltage near the bottom of the groove TR can be improved.

更に、溝TR内に形成されたゲート電極Gの少なくとも一部の直下には、n型半導体層NE2が形成されている。このため、ドレイン電位電極DE、溝TRの側面(ゲート電極Gの側面)のチャネル領域PC、および、ソース電位電極SEを経由する電流経路の最短経路に、低抵抗のn型半導体層NE2が形成されていることになる。言い換えれば、電流密度の高い領域に、低抵抗のn型半導体層NE2が形成されている。このため、効率的にパワートランジスタのオン抵抗を低下させることができる。 Further, an n-type semiconductor layer NE2 is formed immediately below at least a part of the gate electrode G formed in the groove TR. Therefore, a low-resistance n-type semiconductor layer NE2 is formed in the shortest path of the current path via the drain potential electrode DE, the channel region PC on the side surface of the groove TR (side surface of the gate electrode G), and the source potential electrode SE. It will be done. In other words, the low resistance n-type semiconductor layer NE2 is formed in the region where the current density is high. Therefore, the on-resistance of the power transistor can be efficiently reduced.

図15に示されるように、n型半導体層NE2の幅は、距離L1の値によって変化するが、溝TR内に形成されたゲート電極Gの少なくとも一部の直下には、n型半導体層NE2が形成されていることが重要である。言い換えれば、平面視において、溝TR内に形成されたゲート電極Gの少なくとも一部は、n型半導体層NE2と重なっている。特に、溝TR内に形成されたゲート電極Gの2つの角部のうち、少なくとも一方の直下に、n型半導体層NE2が形成されていることが好ましい。 As shown in FIG. 15, the width of the n-type semiconductor layer NE2 varies depending on the value of the distance L1, but the n-type semiconductor layer NE2 is directly below at least a part of the gate electrode G formed in the groove TR. It is important that is formed. In other words, in a plan view, at least a part of the gate electrode G formed in the groove TR overlaps with the n-type semiconductor layer NE2. In particular, it is preferable that the n-type semiconductor layer NE2 is formed immediately below at least one of the two corner portions of the gate electrode G formed in the groove TR.

以上のように、本実施の形態では、パワートランジスタのオン抵抗を低減させることができ、耐圧も向上させることができる。従って、半導体装置の性能を向上させることができ、半導体装置の信頼性を向上させることができる。 As described above, in the present embodiment, the on-resistance of the power transistor can be reduced and the withstand voltage can be improved. Therefore, the performance of the semiconductor device can be improved, and the reliability of the semiconductor device can be improved.

図16~図21は、本実施の形態の半導体装置における各構成の関係について、本願発明者が検討を重ねた結果である。 16 to 21 are the results of repeated studies by the inventor of the present application regarding the relationship between the configurations of the semiconductor device of the present embodiment.

図16は、n型半導体層NE1の不純物濃度に対するn型半導体層NE2の不純物濃度の比と、オン抵抗との関係を示している。なお、ここでは各測定点において、耐圧が1500Vで一定となるように、距離L1を調整している。また、最左点(横軸の値が1の点)は、検討例に相当する点である。 FIG. 16 shows the relationship between the ratio of the impurity concentration of the n-type semiconductor layer NE2 to the impurity concentration of the n-type semiconductor layer NE1 and the on-resistance. Here, the distance L1 is adjusted so that the withstand voltage is constant at 1500 V at each measurement point. The leftmost point (the point where the value on the horizontal axis is 1) corresponds to the study example.

図16に示されるように、n型半導体層NE2の濃度を高くすると、オン抵抗は低下するが、n型半導体層NE2の濃度を高めすぎると、逆にオン抵抗が増加する結果となる。すなわち、n型半導体層NE2の濃度を高めすぎると、耐圧が低下するので、上述のように耐圧を1500Vに保持するためには、距離L1を狭くする必要がある。従って、互いに隣接するp型不純物領域PTの間の領域である電流経路が狭くなりすぎることになるので、結果的にオン抵抗が増加してしまう。 As shown in FIG. 16, when the concentration of the n-type semiconductor layer NE2 is increased, the on-resistance decreases, but when the concentration of the n-type semiconductor layer NE2 is increased too much, the on-resistance increases. That is, if the concentration of the n-type semiconductor layer NE2 is increased too much, the withstand voltage decreases. Therefore, in order to maintain the withstand voltage at 1500 V as described above, it is necessary to narrow the distance L1. Therefore, the current path, which is a region between the p-type impurity regions PT adjacent to each other, becomes too narrow, and as a result, the on-resistance increases.

本実施の形態では、横軸の値が、2~10である範囲を適切な範囲として使用できる。また、横軸の値は、3~7である範囲がより好ましい。例えば、n型半導体層NE1の不純物濃度が、1×1016/cm程度である場合、n型半導体層NE2の不純物濃度は、2×1016/cm~1×1016/cmの範囲とすることが好ましく、3×1016/cm~7×1016/cmの範囲とすることが最も好ましい。 In the present embodiment, a range in which the value on the horizontal axis is 2 to 10 can be used as an appropriate range. Further, the value on the horizontal axis is more preferably in the range of 3 to 7. For example, when the impurity concentration of the n-type semiconductor layer NE1 is about 1 × 10 16 / cm 3 , the impurity concentration of the n-type semiconductor layer NE2 is 2 × 10 16 / cm 3 to 1 × 10 16 / cm 3 . The range is preferably 3 × 10 16 / cm 3 to 7 × 10 16 / cm 3 .

図17は、n型半導体層NE3の不純物濃度に対するn型半導体層NE2の不純物濃度の比と、耐圧との関係を示している。なお、ここでは各測定点において、オン抵抗が一定となるように、距離L1を調整しており、n型半導体層NE1の不純物濃度と、n型半導体層NE3の不純物濃度とが同程度となる条件で測定している。 FIG. 17 shows the relationship between the ratio of the impurity concentration of the n-type semiconductor layer NE2 to the impurity concentration of the n-type semiconductor layer NE3 and the withstand voltage. Here, the distance L1 is adjusted so that the on-resistance is constant at each measurement point, and the impurity concentration of the n-type semiconductor layer NE1 and the impurity concentration of the n-type semiconductor layer NE3 are about the same. It is measured under the conditions.

図17に示されるように、横軸の値が2.0~5.0である範囲において、1500V前後の十分な耐圧を確保できることが判る。 As shown in FIG. 17, it can be seen that a sufficient withstand voltage of around 1500 V can be secured in the range where the value on the horizontal axis is 2.0 to 5.0.

図18は、n型半導体層NE1の不純物濃度に対するn型半導体層NE3の不純物濃度の比と、耐圧との関係を示している。なお、ここでは各測定点において、オン抵抗が一定となるように、距離L1を調整しており、n型半導体層NE1の不純物濃度に対するn型半導体層NE2の不純物濃度の比が、4となる条件で測定している。 FIG. 18 shows the relationship between the ratio of the impurity concentration of the n-type semiconductor layer NE3 to the impurity concentration of the n-type semiconductor layer NE1 and the withstand voltage. Here, the distance L1 is adjusted so that the on-resistance is constant at each measurement point, and the ratio of the impurity concentration of the n-type semiconductor layer NE2 to the impurity concentration of the n-type semiconductor layer NE1 is 4. It is measured under the conditions.

図18に示されるように、横軸の値が0.8~2.0である範囲において、1500V前後の十分な耐圧を確保できることが判る。 As shown in FIG. 18, it can be seen that a sufficient withstand voltage of around 1500 V can be secured in the range where the value on the horizontal axis is 0.8 to 2.0.

図19は、溝TRの底部から、n型半導体層NE2の上面までの距離L2と、オン抵抗との関係を示している。また、図19に示される距離L2は、図3に示される距離L2に対応している。なお、ここでは各測定点において、耐圧が1500Vで一定となるように、距離L1を調整している。 FIG. 19 shows the relationship between the distance L2 from the bottom of the groove TR to the upper surface of the n-type semiconductor layer NE2 and the on-resistance. Further, the distance L2 shown in FIG. 19 corresponds to the distance L2 shown in FIG. Here, the distance L1 is adjusted so that the withstand voltage is constant at 1500 V at each measurement point.

図19に示されるように、距離L2が4μm以上では、オン抵抗はほぼ一定であるが、距離L2が4μm以下では、オン抵抗が低下する。距離L2が0.5μm以下になると、溝TRと、p型不純物領域PTとが接近しすぎることになり、電流経路が狭くなりすぎることになるため、結果的にオン抵抗が増加してしまう。 As shown in FIG. 19, when the distance L2 is 4 μm or more, the on-resistance is almost constant, but when the distance L2 is 4 μm or less, the on-resistance decreases. When the distance L2 is 0.5 μm or less, the groove TR and the p-type impurity region PT are too close to each other, and the current path becomes too narrow, resulting in an increase in on-resistance.

本実施の形態では、距離L2が0.3μm~4.0μmの範囲を、適切な範囲として使用できる。特に、距離L2は、0.3μm~2.0μmの範囲が好ましく、0.5μm~1.0μmの範囲が最も好ましい。 In the present embodiment, a range in which the distance L2 is 0.3 μm to 4.0 μm can be used as an appropriate range. In particular, the distance L2 is preferably in the range of 0.3 μm to 2.0 μm, and most preferably in the range of 0.5 μm to 1.0 μm.

図20は、ドリフト層DRの厚さ(距離L3)に対するn型半導体層NE2の厚さ(距離L4)の比と、オン抵抗との関係を示している。ここで、ドリフト層DRの厚さ(距離L3)は、n型半導体層NE1~NE3の各厚さの和である。また、図20に示される距離L3および距離L4は、図3に示される距離L3および距離L4に対応している。なお、ここでは各測定点において、耐圧が1500Vで一定となるように、距離L1を調整している。また、最左点(横軸の値が0.00の点)は、検討例に相当する点である。 FIG. 20 shows the relationship between the ratio of the thickness of the n-type semiconductor layer NE2 (distance L4) to the thickness of the drift layer DR (distance L3) and the on-resistance. Here, the thickness of the drift layer DR (distance L3) is the sum of the thicknesses of the n-type semiconductor layers NE1 to NE3. Further, the distance L3 and the distance L4 shown in FIG. 20 correspond to the distance L3 and the distance L4 shown in FIG. Here, the distance L1 is adjusted so that the withstand voltage is constant at 1500 V at each measurement point. The leftmost point (the point where the value on the horizontal axis is 0.00) corresponds to the study example.

図20に示されるように、距離L4/距離L3の値が、0.02~0.13の範囲で、オン抵抗が低減している。従って、例えば、ドリフト層DRの厚さ(距離L3)が12μmである場合、n型半導体層NE2の厚さ(距離L4)は、0.24μm~1.56μmとすることが好ましい。 As shown in FIG. 20, the value of the distance L4 / distance L3 is in the range of 0.02 to 0.13, and the on-resistance is reduced. Therefore, for example, when the thickness of the drift layer DR (distance L3) is 12 μm, the thickness of the n-type semiconductor layer NE2 (distance L4) is preferably 0.24 μm to 1.56 μm.

図21は、p型不純物領域PTの厚さ(距離L5)に対するn型半導体層NE2の厚さ(距離L4)の比と、オン抵抗との関係を示している。また、図21に示される距離L4および距離L5は、図3に示される距離L4および距離L5に対応している。なお、ここでは各測定点において、耐圧が1500Vで一定となるように、距離L1を調整している。また、最左点(横軸の値が0.0の点)は、検討例に相当する点である。 FIG. 21 shows the relationship between the ratio of the thickness of the n-type semiconductor layer NE2 (distance L4) to the thickness of the p-type impurity region PT (distance L5) and the on-resistance. Further, the distance L4 and the distance L5 shown in FIG. 21 correspond to the distance L4 and the distance L5 shown in FIG. Here, the distance L1 is adjusted so that the withstand voltage is constant at 1500 V at each measurement point. The leftmost point (the point where the value on the horizontal axis is 0.0) corresponds to the study example.

図21に示されるように、距離L4/距離L5の値が、0.5~2.2の範囲で、オン抵抗が低減している。そして、距離L4/距離L5の値が、1.0~2.0の範囲で、高い効果が得られ、1.4~1.9の範囲で、更に高い効果が得られる。例えば、p型不純物領域PTの厚さ(距離L5)が、0.4μmである場合、n型半導体層NE2の厚さ(距離L4)は、0.2μm~0.88μmであることが好ましく、0.4μm~0.8μmであることが更に好ましく、0.56μm~0.76μmであることが更に好ましい。 As shown in FIG. 21, the value of the distance L4 / distance L5 is in the range of 0.5 to 2.2, and the on-resistance is reduced. Then, a high effect is obtained when the value of the distance L4 / distance L5 is in the range of 1.0 to 2.0, and a higher effect is obtained in the range of 1.4 to 1.9. For example, when the thickness of the p-type impurity region PT (distance L5) is 0.4 μm, the thickness of the n-type semiconductor layer NE2 (distance L4) is preferably 0.2 μm to 0.88 μm. It is more preferably 0.4 μm to 0.8 μm, and even more preferably 0.56 μm to 0.76 μm.

以上のように、本実施の形態では、溝TRの直下に、n型半導体層NE2を形成するだけでなく、上記の各構成の関係を適切な範囲とすることで、半導体装置の性能を更に向上させることができ、半導体装置の信頼性を更に向上させることができる。 As described above, in the present embodiment, not only the n-type semiconductor layer NE2 is formed directly under the groove TR, but also the relationship between the above configurations is set within an appropriate range to further improve the performance of the semiconductor device. It can be improved, and the reliability of the semiconductor device can be further improved.

(実施の形態1の変形例)
図22は、実施の形態1の変形例の半導体装置を示している。なお、以下の説明では、実施の形態1との相違点を主に説明する。
(Modified Example of Embodiment 1)
FIG. 22 shows a semiconductor device of a modification of the first embodiment. In the following description, the differences from the first embodiment will be mainly described.

実施の形態1では、Y方向に垂直な断面において、ゲート電極Gの中央から厚さ方向に中央線を引いた時、互いに隣接する2つp型不純物領域PTは、上記中央線に対して、対称となるように配置されていた。 In the first embodiment, when the center line is drawn from the center of the gate electrode G in the thickness direction in the cross section perpendicular to the Y direction, the two p-type impurity region PTs adjacent to each other are relative to the center line. It was arranged so as to be symmetrical.

これに対して、本変形例では、互いに隣接する2つp型不純物領域PTは、上記中央線に対して、非対称となるように配置されている。 On the other hand, in this modification, the two p-type impurity regions PT adjacent to each other are arranged so as to be asymmetric with respect to the center line.

図22では、上記中央線と、互いに隣接する2つp型不純物領域PT間の中点とがずれた距離を、距離L7として示している。言い換えれば、上記中央線と、n型半導体層NE2の中心とは、距離L7の範囲で離れている。 In FIG. 22, the distance between the center line and the midpoint between the two p-type impurity regions PT adjacent to each other is shown as the distance L7. In other words, the center line and the center of the n-type semiconductor layer NE2 are separated from each other within a distance L7.

また、本変形例における単位セルUCの幅は、実施の形態1における単位セルUCの幅と同じである。このため、単位セルUC内において、p型不純物領域PTの平面積および体積、並びに、n型半導体層NE2の平面積および体積は、実施の形態1と本変形例とで同じである。 Further, the width of the unit cell UC in this modification is the same as the width of the unit cell UC in the first embodiment. Therefore, in the unit cell UC, the flat area and volume of the p-type impurity region PT and the flat area and volume of the n-type semiconductor layer NE2 are the same in the first embodiment and the present modification.

図23は、本願発明者が実施したシミュレーションの結果を示す図であり、比較対象として、本変形例だけでなく、後述の実施の形態2の変形例の結果も記載している。 FIG. 23 is a diagram showing the results of the simulation carried out by the inventor of the present application, and for comparison, not only the present modification but also the results of the modification of the second embodiment described later are shown.

図23は、単位セルUCの幅(距離L6)に対する上記距離L7の比と、オン抵抗との関係を、実線で示している。また、横軸の値が0.0の点は、実施の形態1に相当する点であり、上記中央線と、互いに隣接する2つp型不純物領域PT間の中点とが一致している点である。 FIG. 23 shows the relationship between the ratio of the distance L7 to the width of the unit cell UC (distance L6) and the on-resistance by a solid line. Further, the point where the value on the horizontal axis is 0.0 corresponds to the first embodiment, and the center line coincides with the midpoint between the two p-type impurity regions PT adjacent to each other. It is a point.

図23に示されるように、距離L7/距離L6の絶対値が大きくなる程に、オン抵抗が増加している。本願発明者の検討では、距離L7/距離L6の絶対値が1/8(0.125)以内であれば、市場で要求されるオン抵抗の値を保持できる。すなわち、理想的には、上述の実施の形態1のように、互いに隣接する2つp型不純物領域PTは、上記中央線に対して、対称となるように配置されていることが最も好ましいが、本変形例のように、距離L7/距離L6の絶対値が1/8(0.125)以内であっても、半導体装置の性能を維持できる。 As shown in FIG. 23, the on-resistance increases as the absolute value of the distance L7 / distance L6 increases. According to the study of the inventor of the present application, if the absolute value of the distance L7 / distance L6 is within 1/8 (0.125), the on-resistance value required in the market can be maintained. That is, ideally, as in the first embodiment described above, it is most preferable that the two p-type impurity regions PTs adjacent to each other are arranged so as to be symmetrical with respect to the center line. As in this modification, the performance of the semiconductor device can be maintained even if the absolute value of the distance L7 / distance L6 is within 1/8 (0.125).

なお、図23では各測定点において、耐圧が1500Vで一定となるように、距離L1を調整している。図23の破線は、単位セルUCの幅(距離L6)に対する上記距離L7の比と、単位セルUCの幅(距離L6)に対するp型不純物領域PTの間の距離(距離L1)の比との関係を示している。図23に示されるように、距離L7/距離L6の絶対値を大きくする時には、距離L1/距離L6の値を、若干小さくする。すなわち、p型不純物領域PT自体の幅を、若干大きくする。これにより、上記中心線と、互いに隣接する2つp型不純物領域PT間の中点とがずれている場合でも、耐圧を一定に保つことができる。 In FIG. 23, the distance L1 is adjusted so that the withstand voltage is constant at 1500 V at each measurement point. The broken line in FIG. 23 is the ratio of the distance L7 to the width of the unit cell UC (distance L6) and the ratio of the distance (distance L1) between the p-type impurity region PT to the width of the unit cell UC (distance L6). Shows the relationship. As shown in FIG. 23, when the absolute value of the distance L7 / the distance L6 is increased, the value of the distance L1 / the distance L6 is slightly decreased. That is, the width of the p-type impurity region PT itself is slightly increased. As a result, the withstand voltage can be kept constant even when the center line and the midpoint between the two p-type impurity regions PT adjacent to each other are deviated from each other.

(実施の形態2)
以下に、実施の形態2の半導体装置を、図24および図25を用いて説明する。図24は、実施の形態1の図2と同様の箇所を示す要部平面図であり、図25は、図24のA-A線に沿った断面図である。なお、以下の説明では、実施の形態1との相違点を主に説明する。
(Embodiment 2)
Hereinafter, the semiconductor device of the second embodiment will be described with reference to FIGS. 24 and 25. FIG. 24 is a plan view of a main part showing a portion similar to that of FIG. 2 of the first embodiment, and FIG. 25 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 24. In the following description, the differences from the first embodiment will be mainly described.

実施の形態1では、p型不純物領域PTの配置の周期は、単位セルUCの幅(距離L6)と同じであった。 In the first embodiment, the period of arrangement of the p-type impurity region PT was the same as the width of the unit cell UC (distance L6).

これに対して、実施の形態2では、p型不純物領域PTの配置の周期が、単位セルUCの幅(距離L6)の整数分の1である。図24および図25では、上記周期の一例として、上記周期が、距離L6の2分の1である場合を例示している。従って、単位セルUC内には、2つ分のp型不純物領域PTが配置されている。 On the other hand, in the second embodiment, the period of arrangement of the p-type impurity region PT is one integral fraction of the width (distance L6) of the unit cell UC. In FIGS. 24 and 25, as an example of the cycle, the case where the cycle is one half of the distance L6 is illustrated. Therefore, two p-type impurity region PTs are arranged in the unit cell UC.

図24では、溝TR内に形成されたゲート電極Gと平面視で重なる位置に、p型不純物領域PTが配置されている半導体装置を例示している。言い換えれば、図25に示されるように、溝TR内に形成されたゲート電極Gの一部の直下に、p型不純物領域PTが形成されている。また、複数のp型不純物領域PTは、それぞれ、互いに離間するように配置されている。従って、実施の形態2では、実施の形態1よりも更にパワートランジスタの耐圧を向上させることができる。 FIG. 24 illustrates a semiconductor device in which the p-type impurity region PT is arranged at a position overlapping the gate electrode G formed in the groove TR in a plan view. In other words, as shown in FIG. 25, a p-type impurity region PT is formed immediately below a part of the gate electrode G formed in the groove TR. Further, the plurality of p-type impurity regions PTs are arranged so as to be separated from each other. Therefore, in the second embodiment, the withstand voltage of the power transistor can be further improved as compared with the first embodiment.

また、実施の形態2でも、実施の形態1と同様に、溝TR内に形成されたゲート電極Gの少なくとも一部の直下には、n型半導体層NE2が形成されていてもよい。特に、溝TR内に形成されたゲート電極Gの2つの角部のうち、少なくとも一方の直下に、n型半導体層NE2が形成されていてもよい。しかしながら、実施の形態2では、これらの特徴は必須ではなく、例えば、溝TR内に形成されたゲート電極G全体の直下に、p型不純物領域PTが形成されていてもよい。 Further, also in the second embodiment, as in the first embodiment, the n-type semiconductor layer NE2 may be formed directly under at least a part of the gate electrode G formed in the groove TR. In particular, the n-type semiconductor layer NE2 may be formed immediately below at least one of the two corner portions of the gate electrode G formed in the groove TR. However, in the second embodiment, these features are not essential, and for example, the p-type impurity region PT may be formed directly under the entire gate electrode G formed in the groove TR.

また、上述のように、溝TR内に形成されたゲート電極Gの直下に、p型不純物領域PTを形成するだけでは、パワートランジスタの耐圧は向上するが、オン抵抗が増加してしまう。そこで、実施の形態2では、実施の形態1と比較して、各p型不純物領域PT自体の幅を小さくし、単位セルUCに占めるn型半導体層NE2の面積および体積を増やしている。 Further, as described above, simply forming the p-type impurity region PT directly under the gate electrode G formed in the groove TR improves the withstand voltage of the power transistor, but increases the on-resistance. Therefore, in the second embodiment, the width of each p-type impurity region PT itself is reduced and the area and volume of the n-type semiconductor layer NE2 occupied in the unit cell UC are increased as compared with the first embodiment.

また、実施の形態1と同様に、Y方向に垂直な断面において、ゲート電極Gの中央から厚さ方向に中央線を引いた時、これらのp型不純物領域PTは、上記中央線に対して、対称となるように配置されていることが、最も好ましい。 Further, as in the first embodiment, when the center line is drawn in the thickness direction from the center of the gate electrode G in the cross section perpendicular to the Y direction, these p-type impurity region PTs are relative to the center line. Most preferably, they are arranged so as to be symmetrical.

図15は、互いに隣接するp型不純物領域PTの間の距離L1を変化させた時の、パワートランジスタのオン抵抗と耐圧の関係を示すグラフである。図15に示されるように、実施の形態2の半導体装置は、検討例の半導体装置だけでなく、実施の形態1の半導体装置と比較しても、パワートランジスタのオン抵抗および耐圧の両方において、優れていることが判る。 FIG. 15 is a graph showing the relationship between the on-resistance of the power transistor and the withstand voltage when the distance L1 between the p-type impurity regions PT adjacent to each other is changed. As shown in FIG. 15, the semiconductor device of the second embodiment has not only the semiconductor device of the study example but also the semiconductor device of the first embodiment in terms of both on-resistance and withstand voltage of the power transistor. It turns out to be excellent.

なお、実施の形態2の製造方法は、図5で説明したp型不純物領域PT形成用のマスクである、絶縁膜IF1のパターンが異なるが、それ以外は、実施の形態1と同様である。 The manufacturing method of the second embodiment is the same as that of the first embodiment except that the pattern of the insulating film IF1 which is the mask for forming the p-type impurity region PT described in FIG. 5 is different.

また、実施の形態2では、p型不純物領域PTの配置の周期が、単位セルUCの幅(距離L6)の2分の1である場合を例示したが、p型不純物領域PTの配置の周期は、距離L6の3分の1など、他の値としてもよい。 Further, in the second embodiment, the case where the cycle of the arrangement of the p-type impurity region PT is half of the width (distance L6) of the unit cell UC is exemplified, but the cycle of the arrangement of the p-type impurity region PT is illustrated. May be another value, such as one-third of the distance L6.

(実施の形態2の変形例)
図26は、実施の形態2の変形例の半導体装置を示している。なお、以下の説明では、実施の形態2との相違点を主に説明する。
(Modified Example of Embodiment 2)
FIG. 26 shows a semiconductor device of a modification of the second embodiment. In the following description, the differences from the second embodiment will be mainly described.

本変形例では、実施の形態1の変形例と同様に、Y方向に垂直な断面において、ゲート電極Gの中央から厚さ方向に中央線を引いた時、各p型不純物領域PTは、上記中央線に対して、非対称となるように配置されている。また、本変形例では、上記中央線と、溝TRの直下に位置するp型不純物領域PTの中心とがずれた距離を、距離L7として示している。言い換えれば、上記中央線と、溝TRの直下に位置するp型不純物領域PTの中心とは、距離L7の範囲で離れている。 In this modification, as in the modification of the first embodiment, when the center line is drawn from the center of the gate electrode G in the thickness direction in the cross section perpendicular to the Y direction, each p-type impurity region PT is described above. It is arranged so as to be asymmetric with respect to the center line. Further, in this modification, the distance between the center line and the center of the p-type impurity region PT located directly below the groove TR is shown as the distance L7. In other words, the center line and the center of the p-type impurity region PT located directly below the groove TR are separated from each other within a distance L7.

図23では、本変形例における、単位セルUCの幅(距離L6)に対する上記距離L7の比と、オン抵抗との関係を、実線で示している。また、横軸の値が0.0の点は、実施の形態2に相当する点であり、上記中央線と、溝TRの直下に位置するp型不純物領域PTの中心とが一致している点である。 In FIG. 23, the relationship between the ratio of the distance L7 to the width (distance L6) of the unit cell UC and the on-resistance in this modification is shown by a solid line. Further, the point where the value on the horizontal axis is 0.0 corresponds to the second embodiment, and the center line coincides with the center of the p-type impurity region PT located directly below the groove TR. It is a point.

図23に実線で示されるように、距離L7/距離L6の絶対値が大きくなる程に、オン抵抗が増加しているが、実施の形態1と比較すると、実施の形態2では、オン抵抗の増加が抑制されている。 As shown by the solid line in FIG. 23, the on-resistance increases as the absolute value of the distance L7 / distance L6 increases. However, as compared with the first embodiment, in the second embodiment, the on-resistance is increased. The increase is suppressed.

また、実施の形態2および本変形例では、p型不純物領域PTの配置の周期は、単位セルUCの幅(距離L6)の2分の1である場合を例示している。このため、図23の破線は、単位セルUCの幅(距離L6)に対する上記距離L7の比と、単位セルUCの幅(距離L6)に対するp型不純物領域PTの間の距離(距離L1)の2倍の値の比との関係を示している。距離L7/距離L6の絶対値を大きくする時には、p型不純物領域PT自体の幅を、実施の形態1よりも、小さくする必要がある。これにより、上記中央線と、溝TRの直下に位置するp型不純物領域PTの中心とがずれている場合でも、耐圧を一定に保つことができる。 Further, in the second embodiment and the present modification, the case where the period of arrangement of the p-type impurity region PT is one half of the width (distance L6) of the unit cell UC is exemplified. Therefore, the broken line in FIG. 23 indicates the ratio of the distance L7 to the width of the unit cell UC (distance L6) and the distance (distance L1) between the p-type impurity region PT with respect to the width of the unit cell UC (distance L6). It shows the relationship with the ratio of double values. When increasing the absolute value of the distance L7 / distance L6, it is necessary to make the width of the p-type impurity region PT itself smaller than that of the first embodiment. As a result, the withstand voltage can be kept constant even when the center line is deviated from the center of the p-type impurity region PT located directly below the groove TR.

(実施の形態3)
以下に、実施の形態3の半導体装置を、図27~図30を用いて説明する。なお、以下の説明では、実施の形態1との相違点を主に説明する。図27~図30では、単位セルUCのみを示している。
(Embodiment 3)
Hereinafter, the semiconductor device of the third embodiment will be described with reference to FIGS. 27 to 30. In the following description, the differences from the first embodiment will be mainly described. 27 to 30 show only the unit cell UC.

実施の形態1では、エピタキシャル成長法によって、n型半導体層NE1の上面全体にn型半導体層NE2を形成し、イオン注入法によって、p型不純物領域PTをn型半導体層NE2中に選択的に形成していた。このため、n型半導体層NE2は、p型不純物領域PTと接していた。 In the first embodiment, the n-type semiconductor layer NE2 is formed on the entire upper surface of the n-type semiconductor layer NE1 by the epitaxial growth method, and the p-type impurity region PT is selectively formed in the n-type semiconductor layer NE2 by the ion implantation method. Was. Therefore, the n-type semiconductor layer NE2 was in contact with the p-type impurity region PT.

実施の形態3では、図27に示されるように、n型半導体層NE2aは、p型不純物領域PTと必ず接している必要はなく、p型不純物領域PTと分離して配置されていてもよい。両者を分離する場合、p型不純物領域PTとn型半導体層NE2aとの間には、n型半導体層NE1の一部が存在することになる。すなわち、n型半導体層NE2aは、互いに隣接するp型不純物領域PTの間の領域の一部に、選択的に形成されている。 In the third embodiment, as shown in FIG. 27, the n-type semiconductor layer NE2a does not necessarily have to be in contact with the p-type impurity region PT, and may be arranged separately from the p-type impurity region PT. .. When both are separated, a part of the n-type semiconductor layer NE1 is present between the p-type impurity region PT and the n-type semiconductor layer NE2a. That is, the n-type semiconductor layer NE2a is selectively formed in a part of the region between the p-type impurity regions PT adjacent to each other.

実施の形態3においても、実施の形態1と同様に、溝TR内に形成されたゲート電極Gの少なくとも一部の直下には、高濃度のn型の不純物領域として、n型半導体層NE2aが形成されている。特に、溝TRの2つの角部のうち少なくとも1つの直下には、n型半導体層NE2aが形成されている。このため、パワートランジスタのオン抵抗を低下させることができる。しかし、ゲート電極Gの直下から離れた領域には、n型半導体層NE2aよりも不純物濃度の低いn型半導体層NE1が存在する。すなわち、電流密度が高く、電流経路の主経路となる領域のみに、選択的にn型半導体層NE2aが形成され、電流密度の低い領域には、n型半導体層NE1が存在している。このため、オン抵抗を効果的に低下させながら、耐圧の向上を図ることができる。 Also in the third embodiment, as in the first embodiment, an n-type semiconductor layer NE2a is provided as a high-concentration n-type impurity region immediately below at least a part of the gate electrode G formed in the groove TR. It is formed. In particular, an n-type semiconductor layer NE2a is formed immediately below at least one of the two corners of the groove TR. Therefore, the on-resistance of the power transistor can be reduced. However, in a region away from directly below the gate electrode G, there is an n-type semiconductor layer NE1 having a lower impurity concentration than the n-type semiconductor layer NE2a. That is, the n-type semiconductor layer NE2a is selectively formed only in the region where the current density is high and which is the main path of the current path, and the n-type semiconductor layer NE1 exists in the region where the current density is low. Therefore, it is possible to improve the withstand voltage while effectively reducing the on-resistance.

図28~図30は、実施の形態3の半導体装置の製造方法を示している。 28 to 30 show a method of manufacturing the semiconductor device according to the third embodiment.

まず、図28に示されるように、n型半導体層NE1上に、例えばCVD法によって、例えば酸化シリコンからなる絶縁膜IF6を形成する。次に、フォトリソグラフィ法およびエッチング処理によって、この絶縁膜IF6をパターニングする。次に、パターニングされた絶縁膜IF6をマスクとしてイオン注入を行うことで、n型半導体層NE1内に、高濃度のn型の不純物領域として、n型半導体層NE2aを形成する。このイオン注入は、1回だけでなく、複数回に分けて行ってもよい。また、複数回のイオン注入の場合、各注入エネルギーを変更し、各不純物濃度のピーク位置を調整してもよい。その後、フッ酸を含む溶液を用いたウェットエッチング処理などによって、絶縁膜IF6を除去する。 First, as shown in FIG. 28, an insulating film IF6 made of, for example, silicon oxide is formed on the n-type semiconductor layer NE1 by, for example, a CVD method. Next, the insulating film IF6 is patterned by a photolithography method and an etching process. Next, by performing ion implantation using the patterned insulating film IF6 as a mask, the n-type semiconductor layer NE2a is formed as a high-concentration n-type impurity region in the n-type semiconductor layer NE1. This ion implantation may be performed not only once but also in a plurality of times. Further, in the case of a plurality of ion implantations, each implantation energy may be changed to adjust the peak position of each impurity concentration. Then, the insulating film IF6 is removed by a wet etching treatment using a solution containing hydrofluoric acid or the like.

次に、図29に示されるように、n型半導体層NE1上およびn型半導体層NE2a上に、例えばCVD法によって、例えば酸化シリコンからなる絶縁膜IF7を形成する。次に、フォトリソグラフィ法およびエッチング処理によって、この絶縁膜IF7をパターニングする。次に、パターニングされた絶縁膜IF7をマスクとしてイオン注入を行うことで、n型半導体層NE1内に、p型不純物領域PTを形成する。その後、フッ酸を含む溶液を用いたウェットエッチング処理などによって、絶縁膜IF7を除去する。 Next, as shown in FIG. 29, an insulating film IF7 made of, for example, silicon oxide is formed on the n-type semiconductor layer NE1 and the n-type semiconductor layer NE2a by, for example, a CVD method. Next, the insulating film IF7 is patterned by a photolithography method and an etching process. Next, by performing ion implantation using the patterned insulating film IF7 as a mask, a p-type impurity region PT is formed in the n-type semiconductor layer NE1. Then, the insulating film IF7 is removed by a wet etching treatment using a solution containing hydrofluoric acid or the like.

なお、実施の形態3では、n型半導体層NE2aを先に形成し、p型不純物領域PTを後から形成する例を示したが、これらの順番は逆であってもよい。 Although the third embodiment shows an example in which the n-type semiconductor layer NE2a is formed first and the p-type impurity region PT is formed later, the order thereof may be reversed.

次に、図30に示されるように、エピタキシャル成長法によって、n型半導体層NE1上、n型半導体層NE2a上およびp型不純物領域PT上に、n型半導体層NE3を形成する。これにより、n型半導体層NE1、n型半導体層NE2a、n型半導体層NE3およびp型不純物領域PTを有するドリフト層DRが形成される。 Next, as shown in FIG. 30, the n-type semiconductor layer NE3 is formed on the n-type semiconductor layer NE1, the n-type semiconductor layer NE2a, and the p-type impurity region PT by the epitaxial growth method. As a result, a drift layer DR having an n-type semiconductor layer NE1, an n-type semiconductor layer NE2a, an n-type semiconductor layer NE3, and a p-type impurity region PT is formed.

その後、実施の形態1と同様の製造工程を経ることで、図27の半導体装置が製造される。 After that, the semiconductor device of FIG. 27 is manufactured by going through the same manufacturing process as in the first embodiment.

以上のように、実施の形態3では、イオン注入を行うことで、n型半導体層NE2aおよびp型不純物領域PTを形成しているが、n型半導体層NE2aの不純物濃度、および、p型不純物領域PTの不純物濃度は、それぞれ、実施の形態1のn型半導体層NE2の不純物濃度、および、p型不純物領域PTの不純物濃度と同様である。 As described above, in the third embodiment, the n-type semiconductor layer NE2a and the p-type impurity region PT are formed by ion injection, but the impurity concentration of the n-type semiconductor layer NE2a and the p-type impurities are formed. The impurity concentration of the region PT is the same as the impurity concentration of the n-type semiconductor layer NE2 of the first embodiment and the impurity concentration of the p-type impurity region PT, respectively.

また、実施の形態3では、エピタキシャル成長法ではなく、イオン注入を用いることで、n型半導体層NE2aの厚さ(距離L4)を調整しやすくなるという効果、および、n型半導体層NE2a内の不純物プロファイルを調整しやすくなるという効果を有する。すなわち、n型半導体層NE2aは、n型半導体層NE1およびn型半導体層NE3よりも高い不純物濃度を有する層であるが、例えば、エピタキシャル成長法を用いた場合には、n型半導体層NE2aとn型半導体層NE3との界面において、不純物濃度の勾配が急峻になる。このため、この界面付近における電界が急激に変化し、耐圧の低下を引き起こす恐れがある。n型半導体層NE2aとn型半導体層NE1との界面でも、同様の問題がある。実施の形態3では、これらの界面付近の不純物濃度の勾配が緩やかになるように、上記のイオン注入を用いて調整することができる。従って、半導体装置の信頼性を更に高めることができる。 Further, in the third embodiment, by using ion implantation instead of the epitaxial growth method, the effect that the thickness (distance L4) of the n-type semiconductor layer NE2a can be easily adjusted, and the impurities in the n-type semiconductor layer NE2a are easily adjusted. It has the effect of facilitating adjustment of the profile. That is, the n-type semiconductor layer NE2a is a layer having a higher impurity concentration than the n-type semiconductor layers NE1 and the n-type semiconductor layer NE3. For example, when the epitaxial growth method is used, the n-type semiconductor layers NE2a and n At the interface with the type semiconductor layer NE3, the gradient of the impurity concentration becomes steep. Therefore, the electric field in the vicinity of this interface changes abruptly, which may cause a decrease in withstand voltage. The interface between the n-type semiconductor layer NE2a and the n-type semiconductor layer NE1 has the same problem. In the third embodiment, the above-mentioned ion implantation can be used to adjust so that the gradient of the impurity concentration near these interfaces becomes gentle. Therefore, the reliability of the semiconductor device can be further improved.

また、上述の実施の形態1の変形例、実施の形態2、および、実施の形態2の変形例に、実施の形態3で説明した技術を適用してもよい。 Further, the technique described in the third embodiment may be applied to the modified example of the first embodiment, the second embodiment, and the modified example of the second embodiment described above.

(実施の形態3の変形例)
図31は、実施の形態3の変形例の半導体装置を示している。なお、以下の説明では、実施の形態3との相違点を主に説明する。
(Modified Example of Embodiment 3)
FIG. 31 shows a semiconductor device of a modification of the third embodiment. In the following description, the differences from the third embodiment will be mainly described.

本変形例でも、実施の形態3と同様に、イオン注入によって、n型半導体層NE2bを形成している。 Also in this modification, the n-type semiconductor layer NE2b is formed by ion implantation as in the third embodiment.

実施の形態3において、互いに隣接するp型不純物領域PTの間に形成されていたn型半導体層NE2aは、2つの箇所に分離されている。従って、本変形例では、図31に示されるように、分離された2つの箇所として、2つのn型半導体層NE2bが形成されている。このため、2つのn型半導体層NE2bの間の領域には、低濃度のn型半導体層NE1が存在している。 In the third embodiment, the n-type semiconductor layer NE2a formed between the p-type impurity regions PT adjacent to each other is separated into two places. Therefore, in this modification, as shown in FIG. 31, two n-type semiconductor layers NE2b are formed as two separated portions. Therefore, a low-concentration n-type semiconductor layer NE1 exists in the region between the two n-type semiconductor layers NE2b.

また、2つのn型半導体層NE2bは、それぞれ、溝TR内に形成されたゲート電極Gの2つ角部の直下に形成されている。すなわち、電流密度が最も高い領域に、2つのn型半導体層NE2bが配置されている。これにより、実施の形態3と比較して、オン抵抗は若干高いものの、耐圧を更に向上させることができる。 Further, the two n-type semiconductor layers NE2b are formed immediately below the two corners of the gate electrode G formed in the groove TR, respectively. That is, the two n-type semiconductor layers NE2b are arranged in the region where the current density is the highest. As a result, the withstand voltage can be further improved, although the on-resistance is slightly higher than that of the third embodiment.

また、本変形例では、2つのn型半導体層NE2bを例示したが、3つ以上のn型半導体層NE2bを配置してもよい。すなわち、互いに隣接するp型半導体層PTの間の領域に、n型半導体層NE2aが複数の箇所に分離された構造として、複数のn型半導体層NE2bが形成されていてもよい。 Further, in this modification, two n-type semiconductor layers NE2b are exemplified, but three or more n-type semiconductor layers NE2b may be arranged. That is, a plurality of n-type semiconductor layers NE2b may be formed in a region between the p-type semiconductor layers PT adjacent to each other as a structure in which the n-type semiconductor layer NE2a is separated into a plurality of locations.

なお、n型半導体層NE2bの製造方法は、図28で説明した絶縁膜IF6のパターンが異なるが、それ以外は、実施の形態3と同様である。 The method for manufacturing the n-type semiconductor layer NE2b is the same as that of the third embodiment except that the pattern of the insulating film IF6 described with reference to FIG. 28 is different.

(実施の形態4)
以下に、実施の形態4の半導体装置を、図32および図33を用いて説明する。図32は、実施の形態1の図2と同様の箇所を示す要部平面図であり、図33は、図32のB-B線に沿った断面図である。なお、図32のA-A線に沿った断面図は、図3と同様である。以下の説明では、実施の形態1との相違点を主に説明する。
(Embodiment 4)
Hereinafter, the semiconductor device of the fourth embodiment will be described with reference to FIGS. 32 and 33. FIG. 32 is a plan view of a main part showing a portion similar to that of FIG. 2 of the first embodiment, and FIG. 33 is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. 32. The cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 32 is the same as that of FIG. In the following description, the differences from the first embodiment will be mainly described.

実施の形態1では、平面視において、p型不純物領域PTは、溝TRおよびゲート電極Gと同様に、Y方向に延在するように連続的に形成されていた。すなわち、平面視において、p型不純物領域PTは、ストライプ状に形成されていた。 In the first embodiment, in the plan view, the p-type impurity region PT is continuously formed so as to extend in the Y direction, similarly to the groove TR and the gate electrode G. That is, in a plan view, the p-type impurity region PT was formed in a striped shape.

実施の形態4では、図32に示されるように、平面視において、p型不純物領域PTは、Y方向で分断されており、複数のp型不純物領域PTが、互いに離間するように形成されている。すなわち、平面視において、複数のp型不純物領域PTが、Y方向およびX方向において、それぞれ分離されており、複数の島状として形成されている。 In the fourth embodiment, as shown in FIG. 32, the p-type impurity region PT is divided in the Y direction in a plan view, and a plurality of p-type impurity region PTs are formed so as to be separated from each other. There is. That is, in a plan view, the plurality of p-type impurity regions PTs are separated in the Y direction and the X direction, respectively, and are formed as a plurality of islands.

また、図33に示されるように、B-B断面においては、n型半導体層NE2内に、p型不純物領域PTが形成されていない。言い換えれば、Y方向において互いに隣接するp型不純物領域PTの間には、n型半導体層NE2が形成されている。 Further, as shown in FIG. 33, in the BB cross section, the p-type impurity region PT is not formed in the n-type semiconductor layer NE2. In other words, the n-type semiconductor layer NE2 is formed between the p-type impurity regions PTs adjacent to each other in the Y direction.

以上のように、p型不純物領域PTは、Y方向において不連続に形成されていてもよいが、実施の形態1と比較して、耐圧が若干低下し易い構造になる。 As described above, the p-type impurity region PT may be formed discontinuously in the Y direction, but has a structure in which the withstand voltage is likely to be slightly lowered as compared with the first embodiment.

しかし、上述の実施の形態1および2において、図15を用いて説明したように、パワートランジスタのオン抵抗および耐圧は、X方向における各p型不純物領域PTの間の距離L1によって調整することができる。このため、例えば、X方向における各p型不純物領域PTの間の距離L1を狭くして、耐圧を向上させた状態で、Y方向において、p型不純物領域PTを不連続に形成することで、所望の耐圧に調整することも可能となる。このように、実施の形態4に開示した技術を用いることで、耐圧調整のための設計の自由度を高めることができる。 However, in embodiments 1 and 2 described above, as described with reference to FIG. 15, the on-resistance and withstand voltage of the power transistor can be adjusted by the distance L1 between the p-type impurity regions PT in the X direction. can. Therefore, for example, the p-type impurity region PT is discontinuously formed in the Y direction in a state where the distance L1 between each p-type impurity region PT in the X direction is narrowed to improve the withstand voltage. It is also possible to adjust to a desired withstand voltage. As described above, by using the technique disclosed in the fourth embodiment, the degree of freedom in design for pressure resistance adjustment can be increased.

なお、実施の形態4の製造方法は、図5で説明したp型不純物領域PT形成用のマスクである、絶縁膜IF1のパターンが異なるが、それ以外は、実施の形態1と同様である。 The manufacturing method of the fourth embodiment is the same as that of the first embodiment except that the pattern of the insulating film IF1 which is the mask for forming the p-type impurity region PT described in FIG. 5 is different.

(実施の形態4の変形例)
以下に、実施の形態4の半導体装置を、図34および図35を用いて説明する。図34は、実施の形態4の図32と同様の箇所を示す要部平面図であり、図35は、図34のB-B線に沿った断面図である。なお、図34のA-A線に沿った断面図は、図3と同様である。以下の説明では、実施の形態4との相違点を主に説明する。
(Modified Example of Embodiment 4)
Hereinafter, the semiconductor device of the fourth embodiment will be described with reference to FIGS. 34 and 35. FIG. 34 is a plan view of a main part showing a portion similar to that of FIG. 32 of the fourth embodiment, and FIG. 35 is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. 34. The cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 34 is the same as that of FIG. In the following description, the differences from the fourth embodiment will be mainly described.

図34に示されるように、本変形例でも、実施の形態4と同様に、p型不純物領域PTは、Y方向において不連続に形成されている。 As shown in FIG. 34, in this modification as well, the p-type impurity region PT is formed discontinuously in the Y direction, as in the fourth embodiment.

しかし、図33に示されるように、B-B断面においては、溝TR内に形成されたゲート電極Gの一部の直下にも、p型不純物領域PTが形成されている。従って、本変形例では、Y方向において、図3のA-A断面の構造と、図35のB-B断面の構造とが、交互に形成される。このため、図34に示されるように、平面視において、複数のp型不純物領域PTは、千鳥状に配置される。言い換えれば、溝TRの一部の直下に位置する複数のp型不純物領域PTは、X方向において他のp型不純物領域PTと隣接しない領域に、互いに離間するように形成されている。 However, as shown in FIG. 33, in the BB cross section, the p-type impurity region PT is also formed immediately below a part of the gate electrode G formed in the groove TR. Therefore, in this modification, the structure of the AA cross section of FIG. 3 and the structure of the BB cross section of FIG. 35 are alternately formed in the Y direction. Therefore, as shown in FIG. 34, the plurality of p-type impurity regions PTs are arranged in a staggered manner in a plan view. In other words, the plurality of p-type impurity regions PTs located immediately below a part of the groove TR are formed so as to be separated from each other in regions not adjacent to other p-type impurity regions PTs in the X direction.

このように、溝TR内に形成されたゲート電極Gの一部の直下にも、p型不純物領域PTが配置されている構造とすることで、実施の形態4と比較して、耐圧を向上させ易い構造とすることができる。 As described above, by adopting a structure in which the p-type impurity region PT is arranged directly under a part of the gate electrode G formed in the groove TR, the withstand voltage is improved as compared with the fourth embodiment. The structure can be made easy to make.

以上、本願発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。 Although the invention made by the inventors of the present application has been specifically described above based on the embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment and can be variously modified without departing from the gist thereof. ..

例えば、上記実施の形態1~4においては、トレンチゲート型のパワートランジスタをn型のMOSFETとして説明したが、上記実施の形態1~4の技術を、p型のMOSFETに適用することもできる。具体的には、上記実施の形態1~4において記載した各構成の導電型を逆にすることで、p型のMOSFETを製造できる。 For example, in the above-described embodiments 1 to 4, the trench gate type power transistor has been described as an n-type MOSFET, but the techniques of the above-described embodiments 1 to 4 can also be applied to a p-type MOSFET. Specifically, the p-type MOSFET can be manufactured by reversing the conductive type of each configuration described in the above-described first to fourth embodiments.

また、上記実施の形態1~4においては、トレンチゲート型のパワートランジスタをMOSFETとして説明したが、このトレンチゲート型のパワートランジスタをIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)に適用することもできる。 Further, in the above-described first to fourth embodiments, the trench gate type power transistor has been described as a MOSFET, but the trench gate type power transistor can also be applied to an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).

その他、上記実施の形態に記載された内容の一部を以下に記載する。 In addition, a part of the contents described in the above embodiment is described below.

[付記1]
シリコンおよび炭素を含んで構成される半導体基板と、
前記半導体基板の上面上に形成された第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層上に形成された前記第1導電型の第3半導体層と、
前記第1半導体層と前記第3半導体層との間に形成された前記第1導電型の第2半導体層と、
前記第1半導体層と前記第3半導体層との間に形成され、前記第1導電型とは反対の導電型である第2導電型であり、且つ、平面視において、前記第2半導体層を挟むように形成された複数の第1不純物領域と、
前記第3半導体層内に形成された前記第2導電型の第2不純物領域と、
前記第1不純物領域内に形成された前記第1導電型の第3不純物領域と、
前記第2不純物領域および前記第3不純物領域を貫通して、前記第3半導体層に達する溝と、
前記溝内に形成されたゲート絶縁膜と、
前記溝内に前記ゲート絶縁膜を介して埋め込まれたゲート電極と、
を有し、
前記第2半導体層の不純物濃度は、前記第1半導体層の不純物濃度、および、前記第3半導体層の不純物濃度よりも高く、
平面視において、前記溝および前記ゲート電極は、第1方向に延在し、
複数の前記ゲート電極が、前記第2方向で互いに隣接するように形成され、
前記第1方向に垂直な断面において、前記ゲート電極の中央から厚さ方向に中央線を引き、前記第2方向で隣接する2つの前記ゲート電極の各々の前記中央線を結ぶ距離をL6とした時、前記複数の第1不純物領域は、L6の整数分の1の周期で形成されている、半導体装置。
[Appendix 1]
A semiconductor substrate composed of silicon and carbon,
A first conductive type first semiconductor layer formed on the upper surface of the semiconductor substrate,
The first conductive type third semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and
The first conductive type second semiconductor layer formed between the first semiconductor layer and the third semiconductor layer, and
The second semiconductor layer is a second conductive type formed between the first semiconductor layer and the third semiconductor layer and is a conductive type opposite to the first conductive type, and the second semiconductor layer is viewed in a plan view. A plurality of first impurity regions formed so as to be sandwiched, and
The second impurity region of the second conductive type formed in the third semiconductor layer and
The first conductive type third impurity region formed in the first impurity region and
A groove that penetrates the second impurity region and the third impurity region and reaches the third semiconductor layer.
The gate insulating film formed in the groove and
A gate electrode embedded in the groove via the gate insulating film,
Have,
The impurity concentration of the second semiconductor layer is higher than the impurity concentration of the first semiconductor layer and the impurity concentration of the third semiconductor layer.
In plan view, the groove and the gate electrode extend in the first direction.
A plurality of the gate electrodes are formed so as to be adjacent to each other in the second direction.
In the cross section perpendicular to the first direction, a center line is drawn from the center of the gate electrode in the thickness direction, and the distance connecting the center lines of each of the two adjacent gate electrodes in the second direction is defined as L6. At that time, the plurality of first impurity regions are formed in a period of 1 / integer of L6, which is a semiconductor device.

[付記2]
付記1に記載の半導体装置において、
前記周期は、L6の2分の1である、半導体装置。
[Appendix 2]
In the semiconductor device described in Appendix 1,
A semiconductor device whose period is one half of L6.

[付記3]
付記1に記載の半導体装置において、
平面視において、互いに隣接する前記第1不純物領域の間に位置している前記第2半導体層は、前記溝に埋め込まれた前記ゲート電極の少なくとも一部と重なる、半導体装置。
[Appendix 3]
In the semiconductor device described in Appendix 1,
A semiconductor device in which the second semiconductor layer located between the first impurity regions adjacent to each other overlaps at least a part of the gate electrode embedded in the groove in a plan view.

[付記4]
付記1に記載の半導体装置において、
前記溝に埋め込まれた前記ゲート電極全体の直下には、前記複数の第1不純物領域のうち1つが形成されている、半導体装置。
[Appendix 4]
In the semiconductor device described in Appendix 1,
A semiconductor device in which one of the plurality of first impurity regions is formed immediately below the entire gate electrode embedded in the groove.

C 半導体チップ
CH コンタクトホール
DE ドレイン電位電極
DR ドリフト層
G ゲート電極
GE ゲート電位電極
GI ゲート絶縁膜
IF1~IF7 絶縁膜
IL 層間絶縁膜
L1~L7 距離
NE1、NE2、NE2a、NE2b、NE3 n型半導体層
NS ソース領域(不純物領域)
PB ボディ領域(不純物領域)
PC チャネル領域(不純物領域)
PT p型不純物領域
RP1、RP2 レジストパターン
SB 半導体基板
SE ソース電位電極
TR 溝
UC 単位セル
C Semiconductor chip CH Contact hole DE Drain potential electrode DR Drift layer G Gate electrode GE Gate potential electrode GI Gate insulating film IF1 to IF7 Insulating film IL Interlayer insulating film L1 to L7 Distance NE1, NE2, NE2a, NE2b, NE3 n-type semiconductor layer NS source region (impurity region)
PB body area (impurity area)
PC channel area (impurity area)
PT p-type impurity region RP1, RP2 resist pattern SB semiconductor substrate SE source potential electrode TR groove UC unit cell

Claims (4)

シリコンおよび炭素を含んで構成される半導体基板と、
前記半導体基板の上面上に形成された第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層上に形成された前記第1導電型の第3半導体層と、
前記第1半導体層と前記第3半導体層との間に形成された前記第1導電型の第2半導体層と、
前記第1半導体層と前記第3半導体層との間に形成され、前記第1導電型とは反対の導電型である第2導電型であり、且つ、平面視において、前記第2半導体層を挟むように形成された複数の第1不純物領域と、
前記第3半導体層内に形成された前記第2導電型の第2不純物領域と、
前記第2不純物領域内に形成された前記第1導電型の第3不純物領域と、
前記第2不純物領域および前記第3不純物領域を貫通して、前記第3半導体層に達する溝と、
前記溝内に形成されたゲート絶縁膜と、
前記溝内に前記ゲート絶縁膜を介して埋め込まれたゲート電極と、
を有し、
前記第2半導体層の不純物濃度は、前記第1半導体層の不純物濃度、および、前記第3半導体層の不純物濃度よりも高く、
平面視において、前記溝および前記ゲート電極は、平面視における第1方向に延在し、
複数の前記ゲート電極が、平面視において前記第1方向と直交する第2方向で互いに隣接するように形成され、
前記第1方向に垂直な断面において、前記ゲート電極の中央から厚さ方向に中央線を引き、前記第2方向で隣接する2つの前記ゲート電極の各々の前記中央線を結ぶ距離をL6とした時、前記複数の第1不純物領域は、L6の整数分の1の周期で形成されている、半導体装置。
A semiconductor substrate composed of silicon and carbon,
A first conductive type first semiconductor layer formed on the upper surface of the semiconductor substrate,
The first conductive type third semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and
The first conductive type second semiconductor layer formed between the first semiconductor layer and the third semiconductor layer, and
The second semiconductor layer is a second conductive type formed between the first semiconductor layer and the third semiconductor layer and is a conductive type opposite to the first conductive type, and the second semiconductor layer is viewed in a plan view. A plurality of first impurity regions formed so as to be sandwiched, and
The second impurity region of the second conductive type formed in the third semiconductor layer and
The first conductive type third impurity region formed in the second impurity region and
A groove that penetrates the second impurity region and the third impurity region and reaches the third semiconductor layer.
The gate insulating film formed in the groove and
A gate electrode embedded in the groove via the gate insulating film,
Have,
The impurity concentration of the second semiconductor layer is higher than the impurity concentration of the first semiconductor layer and the impurity concentration of the third semiconductor layer.
In plan view, the groove and the gate electrode extend in the first direction in plan view.
A plurality of the gate electrodes are formed so as to be adjacent to each other in a second direction orthogonal to the first direction in a plan view.
In the cross section perpendicular to the first direction, a center line is drawn in the thickness direction from the center of the gate electrode, and the distance connecting the center lines of each of the two adjacent gate electrodes in the second direction is defined as L6. At times, the plurality of first impurity regions are formed in a period of 1 / integer of L6, that is, a semiconductor device.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記周期は、L6の2分の1である、半導体装置。
In the semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device whose period is one half of L6.
請求項1に記載の半導体装置において、
平面視において、互いに隣接する前記第1不純物領域の間に位置している前記第2半導体層は、前記溝に埋め込まれた前記ゲート電極の少なくとも一部と重なる、半導体装置。
In the semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device in which the second semiconductor layer located between the first impurity regions adjacent to each other overlaps at least a part of the gate electrode embedded in the groove in a plan view.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記溝に埋め込まれた前記ゲート電極全体の直下には、前記複数の第1不純物領域のうち1つが形成されている、半導体装置。
In the semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device in which one of the plurality of first impurity regions is formed immediately below the entire gate electrode embedded in the groove.
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