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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024143375
(43)【公開日】2024-10-11
(54)【発明の名称】半導体装置、半導体装置の製造方法
(51)【国際特許分類】
   H01L 21/336 20060101AFI20241003BHJP
   H01L 29/06 20060101ALI20241003BHJP
【FI】
H01L29/78 301X
H01L29/06 301M
【審査請求】未請求
【請求項の数】17
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2023056020
(22)【出願日】2023-03-30
(71)【出願人】
【識別番号】000116024
【氏名又は名称】ローム株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100105957
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 誠
(74)【代理人】
【識別番号】100068755
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 博宣
(72)【発明者】
【氏名】郡 充秀
【テーマコード(参考)】
5F140
【Fターム(参考)】
5F140AA25
5F140BA01
5F140BA16
5F140BB04
5F140BC15
5F140BF04
5F140BF43
5F140BH04
5F140BH14
5F140BH49
5F140CB04
5F140CB06
5F140CB08
(57)【要約】
【課題】ゲート耐圧の向上を図ること。
【解決手段】半導体装置10は、第1導電型の半導体基板40上に形成された第2導電型の第1半導体層51および第2半導体層52と、第2半導体層52および第1半導体層51を貫通して形成された第1トレンチ31と、第1トレンチ31の第1側面31Aに形成され、第2半導体層52と接続された第2導電型の第1拡散層34Aと、第1トレンチ31よりも狭い幅を有する第2トレンチ61と、第2トレンチ61の側面に形成された第2絶縁膜62を介して第2トレンチ61に埋め込まれたゲート電極65と、第2絶縁膜62を挟んでゲート電極65と対向する第1導電型のウエル領域66および第2導電型の第2拡散層63と、ウエル領域66に形成された第2導電型のソースコンタクト領域71と、第1拡散層34Aと電気的に接続された第2導電型のドレインコンタクト領域72と、を含む。
【選択図】図3
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第2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第2導電型の第2半導体層と、
前記半導体基板に至るように前記第2半導体層および前記第1半導体層を貫通して形成され、第1幅を有するとともに底面および側面を有する第1トレンチと、
前記第1トレンチの前記側面を覆い、かつ前記第1トレンチの前記底面を露出するように形成された第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜を介して前記第1トレンチに埋め込まれ、前記半導体基板と接する埋め込み電極と、
前記第1トレンチの前記側面に形成され、前記第2半導体層と接続された第2導電型の第1拡散層と、
前記第1幅よりも狭い第2幅を有するとともに底面および側面を有する第2トレンチと、
前記第2トレンチの前記側面および前記底面を覆う第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜を介して前記第2トレンチに埋め込まれたゲート電極と、
前記第2トレンチの前記側面に形成された第2導電型の第2拡散層と、
前記第2半導体層の上面において前記第2絶縁膜と接するように形成され、前記第2絶縁膜を挟んで前記ゲート電極と対向する第1導電型のウエル領域と、
前記ウエル領域に形成された第2導電型のソースコンタクト領域と、
前記第2半導体層の上面に設けられ、前記第1拡散層と電気的に接続された第2導電型のドレインコンタクト領域と、
を含む、半導体装置。
【請求項2】
前記第2拡散層が前記第1半導体層に接続するように前記第2トレンチが前記第2半導体層を貫通している、
請求項1に記載の半導体装置。
【請求項3】
前記第1トレンチの周縁部に設けられ、前記ドレインコンタクト領域と前記第2拡散層との双方に接続されている第2導電型のドレイン拡散領域を含む、
請求項1または請求項2に一項に記載の半導体装置。
【請求項4】
前記ウエル領域と前記ドレイン拡散領域との間の距離が前記第2半導体層の厚さよりも長い、
請求項3に記載の半導体装置。
【請求項5】
前記ウエル領域と前記ドレイン拡散領域との間の距離が前記第2半導体層の厚さよりも短い、
請求項3に記載の半導体装置。
【請求項6】
前記半導体基板と前記第1半導体層との間に形成された第1導電型の第3半導体層を含む、
請求項1に記載の半導体装置。
【請求項7】
前記第2トレンチは、前記第2半導体層および前記第1半導体層の双方を貫通している、
請求項1に記載の半導体装置。
【請求項8】
前記第1トレンチは前記第2半導体層の上面から視て閉じた環状であり、前記第2トレンチは、前記第1トレンチにより囲まれた領域内に形成されている、
請求項1に記載の半導体装置。
【請求項9】
前記第2トレンチの前記第2幅は、0.5μm以上3.0μm以下である、
請求項1に記載の半導体装置。
【請求項10】
前記第1トレンチの前記第1幅は、1.0μm以上5.0μm以下である、
請求項1に記載の半導体装置。
【請求項11】
前記第2トレンチの深さは、3μm以上30μm以下である、
請求項1に記載の半導体装置。
【請求項12】
前記第1トレンチの深さは、5μm以上50μm以下である、
請求項1に記載の半導体装置。
【請求項13】
前記第2絶縁膜の厚さは、100Å以上3000Å以下である、
請求項1に記載の半導体装置。
【請求項14】
前記第2絶縁膜の底面絶縁膜の厚さは、前記第2絶縁膜の側面絶縁膜の厚さよりも厚い、
請求項1に記載の半導体装置。
【請求項15】
前記ゲート電極の厚さ方向の長さは、前記ゲート電極の幅よりも長い、
請求項1に記載の半導体装置。
【請求項16】
第1導電型の半導体基板上に第2導電型の第1半導体層を形成する工程と、
前記第1半導体層上に第2導電型の第2半導体層を形成する工程と、
第1トレンチ、及び、前記第1トレンチよりも幅が狭い第2トレンチを形成する工程と、
前記第1トレンチの側面に第2導電型の第1拡散層を形成するとともに、前記第2トレンチの側面に第2導電型の第2拡散層を形成する工程と、
前記第1トレンチ内に第1絶縁膜を形成するとともに、前記第2トレンチ内に第2絶縁膜を形成する工程と、
前記第1トレンチ内に埋め込み電極を形成するとともに、前記第2トレンチ内にゲート電極を形成する工程と、
前記第2半導体層の上面において前記第2絶縁膜と接する位置であって前記第2絶縁膜を挟んで前記ゲート電極と対向する位置に第1導電型のウエル領域を形成する工程と、
前記ウエル領域に第2導電型のソースコンタクト領域を形成するとともに、前記第1拡散層と電気的に接続する第2導電型のドレインコンタクト領域を形成する工程と、
を含む、半導体装置の製造方法。
【請求項17】
前記半導体基板上に第1導電型の第3半導体層を形成する工程を含み、
前記第1半導体層は、前記第3半導体層上に形成される、
請求項16に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、半導体装置、半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
素子形成領域に形成されたトランジスタを含む半導体装置は知られている(例えば、特許文献1参照)。半導体装置は、半導体層と、半導体層の表面に選択的に形成されたソース領域およびドレイン領域と、ゲート酸化膜を介して半導体層上に形成されたゲート電極とを含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2017-050555号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、トランジスタにおいて、ゲート耐圧の向上が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本開示の一態様である半導体装置は、第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に形成された第2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第2導電型の第2半導体層と、前記半導体基板に至るように前記第2半導体層および前記第1半導体層を貫通して形成され、第1幅を有するとともに底面および側面を有する第1トレンチと、前記第1トレンチの前記側面を覆い、かつ前記第1トレンチの前記底面を露出するように形成された第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜を介して前記第1トレンチに埋め込まれ、前記半導体基板と接する埋め込み電極と、前記第1トレンチの前記側面に形成され、前記第2半導体層と接続された第2導電型の第1拡散層と、前記第1幅よりも狭い第2幅を有するとともに底面および側面を有する第2トレンチと、前記第2トレンチの前記側面および前記底面を覆う第2絶縁膜と、前記第2絶縁膜を介して前記第2トレンチに埋め込まれたゲート電極と、前記第2トレンチの前記側面に形成された第2導電型の第2拡散層と、前記第2半導体層の上面において前記第2絶縁膜と接するように形成され、前記第2絶縁膜を挟んで前記ゲート電極と対向する第1導電型のウエル領域と、前記ウエル領域に形成された第2導電型のソースコンタクト領域と、前記第2半導体層の上面に設けられ、前記第1拡散層と電気的に接続された第2導電型のドレインコンタクト領域と、を含む。
【0006】
本開示の一態様である半導体装置の製造方法は、第1導電型の半導体基板上に第2導電型の第1半導体層を形成する工程と、前記第1半導体層上に第2導電型の第2半導体層を形成する工程と、第1トレンチ、及び、前記第1トレンチよりも幅が狭い第2トレンチを形成する工程と、前記第1トレンチの側面に第2導電型の第1拡散層を形成するとともに、前記第2トレンチの側面に第2導電型の第2拡散層を形成する工程と、前記第1トレンチ内に第1絶縁膜を形成するとともに、前記第2トレンチ内に第2絶縁膜を形成する工程と、前記第1トレンチ内に埋め込み電極を形成するとともに、前記第2トレンチ内にゲート電極を形成する工程と、前記第2半導体層の上面において前記第2絶縁膜と接する位置であって前記第2絶縁膜を挟んで前記ゲート電極と対向する位置に第1導電型のウエル領域を形成する工程と、前記ウエル領域に第2導電型のソースコンタクト領域を形成するとともに、前記第1拡散層と電気的に接続する第2導電型のドレインコンタクト領域を形成する工程と、を含む。
【発明の効果】
【0007】
本開示の一態様である半導体装置、半導体装置の製造方法によれば、トランジスタのゲート耐圧の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
図1図1は、半導体装置を含む半導体モジュールの一例を示す概略斜視図である。
図2図2は、図1の半導体装置の素子領域を拡大して示す概略平面図である。
図3図3は、図2の3-3線に沿う断面図である。
図4図4は、図2の半導体装置の製造工程を示す概略断面図である。
図5図5は、図4に続く製造工程を示す概略断面図である。
図6図6は、図5に続く製造工程を示す概略断面図である。
図7図7は、図6に続く製造工程を示す概略断面図である。
図8図8は、図7に続く製造工程を示す概略断面図である。
図9図9は、図8に続く製造工程を示す概略断面図である。
図10図10は、図9に続く製造工程を示す概略断面図である。
図11図11は、図10に続く製造工程を示す概略断面図である。
図12図12は、図11に続く製造工程を示す概略断面図である。
図13図13は、図12に続く製造工程を示す概略断面図である。
図14図14は、変更例の半導体装置を示す概略断面図である。
図15図15は、変更例の半導体装置を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、添付図面を参照して本開示の半導体装置のいくつかの実施形態を説明する。なお、説明を簡単かつ明確にするために、図面に示される構成要素は必ずしも一定の縮尺で描かれていない。また、理解を容易にするために、断面図では、ハッチング線が省略されている場合がある。添付の図面は、本開示の実施形態を例示するに過ぎず、本開示を制限するものとみなされるべきではない。本開示における「第1」、「第2」、「第3」等の用語は、単に対象物を区別するために用いられており、対象物を順位づけするものではない。
【0010】
以下の詳細な記載は、本開示の例示的な実施形態を具体化する装置、システム、および方法を含む。この詳細な記載は本来説明のためのものに過ぎず、本開示の実施形態またはこのような実施形態の適用および使用を限定することを意図しない。
【0011】
(半導体モジュールの概略構成)
図1を参照して、一実施形態の半導体装置10を備える半導体モジュール100の構成について説明する。図1は、半導体モジュール100の構成の一例の模式的な斜視構造を示している。なお、図1では、図面を容易に理解するために半導体モジュール100のうち後述する封止樹脂140を二点鎖線で示し、半導体モジュール100の内部構成を示している。
【0012】
図1に示される互いに直交するXYZ軸のZ方向は、半導体モジュール100の厚さ方向に対応している。なお、本明細書において使用される「平面視」という用語は、明示的に別段の記載がない限り、Z方向に沿って半導体モジュール100を視ることをいう。
【0013】
図1に示すように、半導体モジュール100は、パッケージ形態としてSOP(Small Outline Package)である。半導体モジュール100は、半導体装置10が実装されるダイパッド110と、半導体装置10と電気的に接続される複数のリード端子120と、半導体装置10と複数のリード端子120とを個別に接続する複数のワイヤ130と、これらを封止する封止樹脂140と、を備える。
【0014】
封止樹脂140は、例えばエポキシ樹脂を含む材料によって形成されている。封止樹脂140は、直方体形状に形成されている。封止樹脂140は、Z方向において互いに反対側を向く第1主面141および第2主面142と、第1主面141と第2主面142とを接続する4つの側面である第1~第4側面143~146と、を含む。第1側面143および第2側面144は封止樹脂140のX方向の両端面を構成し、第3側面145および第4側面146は封止樹脂140のY方向の両端面を構成している。なお、便宜上、第1主面141を「上面」と称し、第2主面142を「下面」を称してもよい。
【0015】
封止樹脂140内に配置されたダイパッド110は、Z方向を厚さ方向とする矩形平板状に形成されている。一例では、平面視におけるダイパッド110の形状は、X方向が長手方向となり、Y方向が短手方向となる長方形状である。ダイパッド110は、金属材料によって形成されている。一例では、ダイパッド110は、鉄(Fe)、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、およびAl(アルミニウム)の少なくとも1つを含んでよい。また一例では、ダイパッド110は、ニッケル(Ni)めっき層、Auめっき層、Agめっき層、およびCuめっき層のうち少なくとも1つが形成された外面を有してよい。
【0016】
複数のリード端子120は、封止樹脂140内に設けられたインナーリード部と、封止樹脂140から突出することによって外部端子を構成するアウターリード部と、を含む。複数のリード端子120は、第1~第8リード端子121~128を含む。なお、リード端子120の数は、図1の8つに限られず、半導体装置10の機能に応じて任意に変更可能である。
【0017】
第1~第4リード端子121~124は、ダイパッド110に対して封止樹脂140の第1側面143寄りに離隔して配置されている。第1~第4リード端子121~124は、Y方向において互いに離隔して配列されている。第1~第4リード端子121~124のアウターリード部の各々は、第3側面145から突出している。
【0018】
第5~第8リード端子125~128は、ダイパッド110に対して封止樹脂140の第2側面144寄りに離隔して配置されている。つまり、第1~第4リード端子121~124と、第5~第8リード端子125~128とは、ダイパッド110のX方向の両側に分散して配置されている。第5~第8リード端子125~128は、Y方向において互いに離隔して配列されている。第5~第8リード端子125~128のアウターリード部の各々は、第4側面146から突出している。
【0019】
一例では、複数のリード端子120は、Fe、Au、Ag、Cu、およびAlの少なくとも1つを含んでいてよい。また一例では、複数のリード端子120は、Niめっき層、Auめっき層、Agめっき層、およびCuめっき層のうち少なくとも1つが形成された外面を有してよい。
【0020】
半導体装置10は、例えばZ方向を厚さ方向とする矩形平板状の半導体チップ20によって構成されている。半導体チップ20は、例えばLSI(Large Scale Integration)チップを含む。平面視における半導体チップ20の形状は、例えば正方形状である。なお、平面視における半導体チップ20の形状は任意に変更可能である。半導体チップ20は、Z方向において互いに反対側を向く第1主面21および第2主面22(図3参照)を有する。第1主面21は封止樹脂140の第1主面141と同じ側を向き、第2主面22は封止樹脂140の第2主面142と同じ側を向いている。このため、便宜上、第1主面21を「上面」と称し、第2主面22を「下面」と称してもよい。
【0021】
半導体チップ20の第1主面21には、複数のパッド27が形成されている。複数のパッド27は、半導体チップ20の第1主面21のY方向の両端部において、X方向において互いに離隔して配列されている。
【0022】
半導体チップ20は、導電性接合材SDを用いてダイパッド110に実装されている。より詳細には、半導体チップ20は、ダイパッド110にダイボンディングされている。導電性接合材SDは、はんだまたは導電ペーストを含む。はんだは、SnAgCu、SnZnBi、SnCu、SnCuNi、およびSnSbNiのうち少なくとも1つを含んでいてよい。導電性接合材SDは、例えばAgペーストを含んでいてよい。Agペーストは、焼結銀ペーストを含んでいてよい。焼結銀ペーストは、ナノサイズまたはマイクロサイズのAg粒子を有機溶剤に分散させたペーストを含んでいてよい。
【0023】
複数のワイヤ130は、半導体チップ20の複数のパッド27と、第1~第8リード端子121~128とを個別に電気的に接続している。複数のワイヤ130は、ボンディングワイヤの一例としてのAlワイヤを含む。なお、複数のワイヤ130は、Alワイヤに限られず、AuワイヤまたはCuワイヤであってもよい。
【0024】
なお、複数のワイヤ130の数は、図1に示す8本に限られず、半導体チップ20の機能に応じて変更可能である。また、複数のワイヤ130に代えて、リボン等の平板状の金属板が用いられてもよい。このように、半導体モジュール100は、半導体チップ20と複数のリード端子120とを個別に電気的に接続する導線を含むといえる。
【0025】
また、半導体モジュール100のパッケージ形態は、SOPに限られず、任意に変更可能である。例えば、半導体モジュール100は、パッケージ形態としてTO(Transistor Outline)、QFN(Quad For Non Lead Package)、DFP(Dual Flat Package)、DIP(Dual Inline Package)、QFP(Quad Flat Package)、SIP(Single Inline Package)、もしくはSOJ(Small Outline J-leaded Package)、またはこれらに類する種々のパッケージ形態を有してもよい。
【0026】
(半導体チップ)
半導体チップ20は、第1主面21に形成された複数の素子領域23を含む。複数の素子領域23は、半導体装置10の種々の機能素子がそれぞれ形成された領域である。
【0027】
複数の機能素子は、半導体スイッチングデバイス、半導体整流デバイスおよび受動デバイスのうちの少なくとも1つをそれぞれ含んでいてもよい。半導体スイッチングデバイスは、JFET(Junction Field Effect Transistor:接合型トランジスタ)、MISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor:絶縁ゲート型の電界効果トランジスタ)、BJT(Bipolar Junction Transistor:バイポーラトランジスタ)、および、IGBT(Insulated Gate Bipolar Junction Transistor:絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)のうちの少なくとも1つを含んでいてもよい。半導体整流デバイスは、pn接合ダイオード、pin接合ダイオード、ツェナーダイオード、ショットキーバリアダイオードおよびファストリカバリーダイオードのうちの少なくとも1つを含んでいてもよい。受動デバイスは、抵抗、コンデンサ、インダクタおよびヒューズのうちの少なくとも1つを含んでいてもよい。
【0028】
一例では、素子領域23は、トランジスタ領域25を含む。素子領域23には複数のトランジスタ領域25が含まれていてよい。トランジスタ領域25は、複数の素子領域23に含まれていてよい。
【0029】
(トランジスタ領域)
図2を参照して、半導体チップ20のトランジスタ領域25の平面構造について説明する。図2は、図1の半導体チップ20のトランジスタ領域25を拡大した平面構造を示している。
【0030】
図2に示すように、半導体チップ20は、素子分離構造30を含む。素子分離構造30は、第1主面21においてトランジスタ領域25を区画する。素子分離構造30は、平面視において所定形状のトランジスタ領域25を区画している。図2の例では、素子分離構造30は、平面視において矩形環状に形成されている。一例では、素子分離構造30は、X方向の長さに対してY方向の長さが大きい矩形環状に形成されている。したがって、素子分離構造30により区画されたトランジスタ領域25は、X方向の長さに対してY方向の長さが大きい矩形状に形成されている。
【0031】
素子分離構造30は、平面視においてトランジスタ領域25の外形に沿って延びる帯状に形成されている。素子分離構造30の四隅となるコーナ部分は、平面視においてトランジスタ領域25から遠ざかる方向に湾曲する湾曲凸部となる。このため、トランジスタ領域25の四隅となるコーナ部分は、素子分離構造30のコーナ部分に対応する湾曲凸部となる。
【0032】
なお、素子分離構造30の平面視における形状、すなわちトランジスタ領域25の平面視における形状は任意に変更可能である。素子分離構造30は、平面視において多角環状、円環状、または楕円環状に形成されることによって、平面視において多角形状、円形形状、または楕円形状のトランジスタ領域25を区画してもよい。トランジスタ領域25には、少なくとも1つのトランジスタが形成されている。一例では、トランジスタは、MISFET60を含む。
【0033】
次に、図2図3を参照して、半導体チップ20(半導体装置10)、半導体チップ20に含まれるおよびMISFET60の構成について説明する。図3は、図2の3-3線でトランジスタ領域25を切断した断面構造を示している。
【0034】
図3に示すように、半導体装置10は、半導体チップ20内に形成された第1導電型の半導体基板40を含む。なお、半導体基板40の導電型である第1導電型は任意であり、半導体装置10の仕様に応じてn型またはp型を選択することができる。以下では、一例として、第1導電型がp型である場合について説明する。
【0035】
半導体基板40は、半導体チップ20内において第2主面22の側の領域に形成されている。半導体基板40は、半導体チップ20の側面の厚さ方向の一部を構成している。このため、半導体基板40は、平面視において半導体チップ20の全体にわたり形成されている。半導体基板40は、Z方向において互いに反対側を向く第1基板主面41および第2基板主面42を含む。第1基板主面41は半導体チップ20の第1主面21と同じ側を向く。第2基板主面42は半導体チップ20の第2主面22と同じ側を向く。このため、第1基板主面41は上面と称することができ、第2基板主面42は下面と称することができる。半導体基板40は、シリコン(Si)を含む材料によって形成されている。一例では、半導体基板40として、Si基板が用いられる。半導体基板40のp型不純物濃度は、例えば1×1016cm-3以上1×1020cm-3以下であってよい。
【0036】
半導体装置10は、半導体基板40上の半導体層50を含む。半導体層50は、半導体チップ20内において第1主面21の側の領域に形成されている。半導体層50は、半導体チップ20の側面の厚さ方向の一部を構成している。このため、半導体層50は、平面視において半導体チップ20の全体にわたり形成されている。
【0037】
半導体層50は、半導体基板40上の第1半導体層51と、第1半導体層51上の第2半導体層52と、半導体基板40と第1半導体層51との間に介在する第3半導体層53と、を含む。第1半導体層51の導電型は、半導体基板40の導電型(第1導電型)と異なる第2導電型である。一例では、第1導電型はp型であり、第2導電型はn型である。第2半導体層52は、第1半導体層51と同じ導電型(第2導電型)である。第3半導体層53は、半導体基板40と同じ導電型(第1導電型)である。
【0038】
第3半導体層53は、半導体基板40の第1基板主面41に接している。第3半導体層53は、例えば第1導電型(p型)のエピタキシャル層(Siエピタキシャル層)によって形成されている。第3半導体層53は、半導体基板40よりも低いp型不純物濃度を有する。一例では、第3半導体層53のp型不純物濃度は、例えば1×1014cm-3以上1×1017cm-3以下であってよい。
【0039】
第1半導体層51は、第3半導体層53上に形成されている。第1半導体層51は、Z方向において互いに反対側を向く第1主面51Aおよび第2主面51Bを含む。第1主面51Aは半導体チップ20の第1主面21と同じ側を向き、第2主面51Bは半導体チップ20の第2主面22と同じ側を向いている。このため、第1主面51Aは上面と称することができ、第2主面51Bは下面と称することができる。第1半導体層51は、第3半導体層53との境界部においてpn接合部54を形成している。つまり、半導体層50内には、その厚さ方向(Z方向)の途中部において、第2主面51Bに沿う水平方向(厚さ方向の直交方向)に延びるpn接合部54が形成されている。第1半導体層51は、例えばn型のエピタキシャル層(Siエピタキシャル層)によって形成されている。
【0040】
第1半導体層51は、第1主面51Aの側の第1領域のn型不純物濃度が第2主面51Bの側の第2領域のn型不純物濃度よりも高い濃度勾配を有してよい。第1領域のn型不純物濃度は、例えば1×1016cm-3以上1×1021cm-3以下であってよい。第2領域のn型不純物濃度は、例えば1×1014cm-3以上1×1018cm-3以下であってよい。n型不純物としては、例えばリン(P)が用いられてよい。
【0041】
第2半導体層52は、第1半導体層51の第1主面51A(上面)に接している。第2半導体層52は、半導体チップ20内において第1主面21の側の領域に形成されているといえる。第2半導体層52は、Z方向において互いに反対側を向く第1主面52Aおよび第2主面52Bを含む。第1主面52Aは第1半導体層51の第1主面51Aと同じ側を向き、第2主面52Bは第1半導体層51の第2主面51Bと同じ側を向いている。このため、第1主面52Aは上面と称することができ、第2主面52Bは下面と称することができる。第1主面52Aは、例えば半導体チップ20の第1主面21を構成している。第2主面52Bは、第1半導体層51の第1主面51Aと接している。
【0042】
第2半導体層52は、Z方向に関して一様なn型不純物濃度を有してよいし、第1主面21に向かって上昇するn型不純物濃度の勾配を有してもよい。第2半導体層52のn型不純物濃度は、例えば1×1014cm-3以上1×1017cm-3以下であってよい。第2半導体層52は、例えばn型のエピタキシャル層(Siエピタキシャル層)によって形成されている。
【0043】
素子分離構造30は、半導体層50をZ方向に貫通して半導体基板40に達するように第1主面21からZ方向に延びている。素子分離構造30は、第1トレンチ31、第1絶縁膜32A,32B、埋め込み電極33、および第1拡散層34A,34Bを含む。
【0044】
第1トレンチ31は、平面視において閉じた環状に形成されている。ここで、平面視は、「第2半導体層52の第1主面52A(上面)に垂直な厚さ方向から視て」と言い換えることもできる。
【0045】
第1トレンチ31は、半導体基板40に達するように第2半導体層52および第1半導体層51を貫通して形成されている。より詳細には、第1トレンチ31は、第1主面21から第2半導体層52、第1半導体層51、および第3半導体層53を貫通して半導体基板40に達している。第1トレンチ31は、半導体基板40の第1基板主面41からZ方向に凹む部分を含む。第1トレンチ31は、X方向に幅を有するとともに、X方向に対向する第1側面31A,31Bと、第1側面31A,31B同士を接続する第1底面31Cと、を含む。一例では、第1側面31Aは、平面視において、環状の第1トレンチ31の内周側の側面を構成している。第1側面31Bは、平面視において、環状の第1トレンチ31の外周側の側面を構成している。ここで、第1トレンチ31に関して、Z方向は「第1トレンチ31の深さ方向」となり、X方向は「第1トレンチ31の幅方向」となり、Y方向は「第1トレンチ31の長さ方向」となる。
【0046】
図3に示される断面図において、第1トレンチ31は、第1主面21から半導体基板40に向けて幅寸法が徐々に小さくなるテーパ状に形成されている。第1トレンチ31は、第1側面31A,31Bが第1底面31Cに向かうにつれて互いに近づくようなテーパ状に形成されているともいえる。第1トレンチ31の第1側面31A,31Bと第1底面31Cとを接続するコーナ部分は、角面状であってもよいし、丸面状であってもよい。
【0047】
一例では、第1トレンチ31の第1幅W1は、0.5μm以上10μm以下であってよい。一例では、第1トレンチ31の第1幅W1は、例えば1.0μm以上5.0μm以下であってよい。一例では、第1トレンチ31の深さH1は、例えば5μm以上50μmであってよい。ここで、第1トレンチ31の第1幅W1は、第1トレンチ31の幅方向の最大寸法である。第1トレンチ31の第1幅W1は、第2半導体層52の第1主面52Aにおける第1トレンチ31の幅方向の寸法であるといえる。
【0048】
第1絶縁膜32Aは、第1トレンチ31の第1側面31Aを覆っている。第1絶縁膜32Bは、第1トレンチ31の第1側面31Bを覆っている。一方、図3に示す例では、第1絶縁膜32A,32Bは、第1トレンチ31の第1底面31Cを覆っていない。このため、第1トレンチ31の第1底面31Cを構成する半導体基板40は、第1絶縁膜32A,32Bから露出している。第1絶縁膜32A,32Bは、酸化シリコン膜(SiO膜)を含んでよい。一例では、第1絶縁膜32A,32Bは、半導体基板40の酸化物によって形成されたSiO膜を含んでよい。
【0049】
埋め込み電極33は、第1トレンチ31に埋め込まれている。埋め込み電極33は、第1絶縁膜32A,32Bと接している。第1トレンチ31は、第1絶縁膜32A,32Bから半導体基板40が露出している。このため、埋め込み電極33は、第1トレンチ31の第1底面31Cにおいて半導体基板40と接している。一例では、図3に示される断面図において、埋め込み電極33は、第1主面52Aから半導体基板40に向かうにつれて徐々に先細るテーパ状に形成されている。埋め込み電極33は、例えば導電性のポリシリコンを含んでよい。埋め込み電極33は、例えば半導体基板40と同じ導電型、すなわちp型の導電性のポリシリコンを含んでよい。埋め込み電極33のp型不純物として、例えばホウ素(B)が用いられてよい。埋め込み電極33には、図示しない配線が電気的に接続されてよい。これにより、この配線を介して、埋め込み電極33の電位を制御することができる。
【0050】
第1拡散層34A,34Bは、半導体層50に形成されている。第1拡散層34Aは、第1トレンチ31の第1側面31Aに対して第1絶縁膜32Aとは反対側に形成されている。このため、第1拡散層34Aは、トランジスタ領域25に形成されている。第1拡散層34Bは、第1トレンチ31の第1側面31Bに対して第1絶縁膜32Bとは反対側に形成されている。このため、第1拡散層34Bは、トランジスタ領域25よりも外側に形成されている。第1拡散層34A,34Bは、平面視において第1トレンチ31の第1側面31A,31Bに沿って環状に形成されている。
【0051】
また、第1拡散層34Aは第1側面31Aの深さ方向(Z方向)の全体にわたり形成されており、第1拡散層34Bは第1側面31Bの深さ方向(Z方向)の全体にわたり形成されている。このため、第1拡散層34A,34Bは、第2半導体層52の第1主面52Aから半導体基板40に達するように第2半導体層52、第1半導体層51、および第3半導体層53を貫通して形成されている。第1拡散層34A,34Bは、その厚さT1が第1主面21から半導体基板40に向かうにつれて徐々に小さくなるように形成されている。
【0052】
第1トレンチ31は、第2半導体層52および第1半導体層51を貫通して形成されている。第1拡散層34Aは、第1半導体層51と同じ第2導電型を有する。したがって、第1トレンチ31の第1側面31Aに形成された第1拡散層34Aは、第1半導体層51と電気的に接続されている。
【0053】
図3に示すように、MISFET60は、トランジスタ領域25に形成された少なくとも1つのMISFETセル60Aによって構成されている。図3は、1つのMISFETセル60Aの断面構造を示している。
【0054】
MISFETセル60Aは、第2トレンチ61、第2絶縁膜62、第2拡散層63、ゲート電極65、ウエル領域66、およびドレイン拡散領域67を含む。
図2に示すように、平面視において、第2トレンチ61は、Y方向に沿って延びる帯状に形成されている。第2トレンチ61は、X方向において、トランジスタ領域25の中央に配置されている。
【0055】
図3に示すように、第2トレンチ61は、第2半導体層52を貫通している。さらに、第2トレンチ61は、第1半導体層51を貫通している。つまり、第2トレンチ61は、第2半導体層52および第1半導体層51を貫通している。そして、第2トレンチ61は、半導体基板40に達している。したがって、第2トレンチ61は、半導体基板40に達するように、第2半導体層52、第1半導体層51、および第3半導体層53を貫通している。ここで、第2トレンチ61の第2幅W2とは、平面視において第2トレンチ61が延びる方向と直交する方向の寸法である。図3に示す例では、第2トレンチ61の第2幅W2は、X方向における第2トレンチ61の寸法である。
【0056】
第2トレンチ61は、X方向に対向する一対の第2側面61Aと、一対の第2側面61A同士を接続する第2底面61Cと、を含む。ここで、第2トレンチ61に関して、Z方向は「第2トレンチ61の深さ方向」となり、X方向は「第2トレンチ61の幅方向」となり、Y方向は「第2トレンチ61の長さ方向」となる。
【0057】
図3に示される断面図において、第2トレンチ61は、第1主面21から第1半導体層51に向けて幅寸法が徐々に小さくなるテーパ状に形成されている。第2トレンチ61は、一対の第2側面61Aが第2底面61Cに向かうにつれて互いに近づくようなテーパ状に形成されているともいえる。第2トレンチ61の第2側面61Aと第2底面61Cとを接続するコーナ部分は、角面状であってもよいし、丸面状であってもよい。一例では、第2底面61Cは、第1半導体層51に向けて凸となるように湾曲している。換言すると、第2底面61Cは、下に向けて凸となるように湾曲している。
【0058】
図3に示すように、第2トレンチ61は、第1トレンチ31よりも小さな第2幅W2を有する。第2トレンチ61の第2幅W2は、0.5μm以上3.0μm以下であってよい。一例では、第2トレンチ61の第2幅W2は、1.8μmである。ここで、第2トレンチ61の第2幅W2は、第2トレンチ61の幅方向の最大寸法とすることができる。第2トレンチ61の第2幅W2は、第2半導体層52の第1主面52Aにおける第2トレンチ61の幅方向の寸法であるといえる。
【0059】
第2トレンチ61は、第1トレンチ31よりも浅い深さH2を有する。一例では、第2トレンチ61の深さH2は、第2トレンチ61の第2幅W2よりも大きい。一例では、第2トレンチ61の深さH2は、例えば3μm以上30μm以下であってよい。
【0060】
第2トレンチ61内には第2絶縁膜62が形成されている。第2絶縁膜62は、第2トレンチ61の第2側面61Aおよび第2底面61Cを覆っている。第2絶縁膜62は、第2側面61Aを覆う側面絶縁膜62Aと、第2底面61Cを覆う底面絶縁膜62Cとを含む。第2絶縁膜62は、絶縁性を有する酸化物によって形成されていてよい。第2絶縁膜62は、半導体チップ20の酸化物に形成されてよい。一例では、第2絶縁膜62は、SiO膜を含んでいてよい。一例では、側面絶縁膜62Aの厚さT3は、100Å以上2000Å以下であってよい。一例では、底面絶縁膜62Cの厚さT4は、100Å以上3000Å以下であってよい。底面絶縁膜62Cの厚さT4は、側面絶縁膜62Aの厚さT3よりも大きくてよい。
【0061】
第2トレンチ61の周囲には、第2拡散層63が形成されている。第2拡散層63は、例えば第1半導体層51と同じ導電型(この実施形態ではn型)を有する。第2拡散層63は、第2トレンチ61の一対の第2側面61Aをそれぞれ覆うように形成されている。図3に示す断面図において、第2拡散層63は、その厚さが第1主面21から第2トレンチ61の第2底面61Cに向かうにつれて徐々に小さくなるように形成されている。第2拡散層63は、平面視において、第2トレンチ61を囲むように形成されている。したがって、第2拡散層63は、平面視において、第2トレンチ61を囲む環状に形成されている。
【0062】
第2トレンチ61内には、ゲート電極65が形成されている。ゲート電極65は、ゲート電極Gと電気的に接続される。ゲート電極65は、第2絶縁膜62を介して第2トレンチ61に埋め込まれている。ゲート電極65は、側面絶縁膜62Aおよび底面絶縁膜62Cと接している。一例では、図3に示される断面図において、ゲート電極65は、第2半導体層52の第1主面52Aから第2トレンチ61の第2底面61Cに向かうにつれて徐々に先細るテーパ状に形成されている。Z方向のゲート電極65の長さH3は、ゲート電極65の幅W3よりも長くてよい。
【0063】
ゲート電極65は、例えば導電性のポリシリコンを含んでよい。ゲート電極65は、例えば半導体基板40と同じ導電型、すなわちp型の導電性のポリシリコンを含んでよい。ゲート電極65のp型不純物として、例えばホウ素(B)が用いられてよい。なお、ゲート電極65は、n型不純物を含んでいてもよい。
【0064】
第2トレンチ61は、第2半導体層52および第1半導体層51を貫通して形成されている。第2拡散層63は、第1半導体層51と同じ第2導電型を有する。したがって、第2トレンチ61の第2側面61Aに形成された第2拡散層63は、第1半導体層51と電気的に接続されている。
【0065】
MISFETセル60Aは、第1導電型(この実施形態ではp型)のウエル領域66、第2導電型のドレイン拡散領域67、第2導電型(この実施形態ではn型)のソースコンタクト領域71、および第2導電型のドレインコンタクト領域72を含む。
【0066】
ウエル領域66は、第2半導体層52の第1主面52Aにおいて、第2絶縁膜62と接するように形成されている。ウエル領域66は、第2絶縁膜62を挟んでゲート電極65と対向している。ウエル領域66は、第2拡散層63と電気的に接続されている。図2に示すように、ウエル領域66は、第2トレンチ61を囲むように形成されている。ウエル領域66は、第2半導体層52よりも高いp型不純物濃度を有する。ウエル領域66のp型不純物濃度は、例えば1×1014cm-3以上1×1018cm-3以下であってよい。なお、ウエル領域66は、「ボディ領域」と称してもよい。
【0067】
ソースコンタクト領域71は、ソース電極Sに電気的に接続される領域であり、ウエル領域66に形成されている。ソースコンタクト領域71は、第2半導体層52の第1主面52Aに形成されている。図2に示すように、ソースコンタクト領域71は、ウエル領域66のX方向の両端に対してX方向に離隔して形成されている。ソースコンタクト領域71は、平面視において、第2トレンチ61が延びる方向と同じY方向に延びる帯状に形成されている。一例では、ソースコンタクト領域71は、X方向において、ウエル領域66の中央よりもゲート電極65寄りに形成されている。ソースコンタクト領域71は、n型の不純物を含む。一例では、ソースコンタクト領域71のn型不純物濃度は、第2半導体層52よりも高いn型不純物濃度を有する。ソースコンタクト領域71のn型不純物濃度は、例えば1×1016cm-3以上1×1021cm-3以下であってよい。
【0068】
図3に示すように、ドレイン拡散領域67は、第2半導体層52の第1主面52Aにおいて、第1絶縁膜32Aと接するように形成されている。ドレイン拡散領域67は、第1トレンチ31と第2トレンチ61との間の第1拡散層34Aと電気的に接続されている。図2に示すように、ドレイン拡散領域67は、第1トレンチ31に沿って、第2トレンチ61を囲むように形成されている。ドレイン拡散領域67のn型不純物濃度は、例えば1×1016cm-3以上1×1021cm-3以下であってよい。
【0069】
図3に示すように、ドレインコンタクト領域72は、ドレイン電極Dと電気的に接続される領域であり、ドレイン拡散領域67に形成されている。ドレインコンタクト領域72は、Z方向から視て、第1絶縁膜32Aと重なる位置に形成されている。ドレインコンタクト領域72は、ドレイン拡散領域67と電気的に接続されている。したがって、ドレインコンタクト領域72は、第1拡散層34Aと電気的に接続されている。
【0070】
ドレイン拡散領域67は、第2半導体層52の第1主面52Aに沿ってウエル領域66から離隔している。X方向におけるウエル領域66からドレイン拡散領域67までの距離L1は、ウエル領域66に形成されるソースコンタクト領域71とドレイン拡散領域67との間の距離、つまりMISFETセル60Aの耐圧となる。一例では、X方向におけるウエル領域66からドレイン拡散領域67までの距離L1は、Z方向における第2半導体層52の厚さT5よりも長い。
【0071】
図2に示すように、ドレインコンタクト領域72は、平面視においてY方向に沿って延びる帯状に形成されている。一例では、ドレインコンタクト領域72の長さ寸法(ドレインコンタクト領域72のY方向の寸法)は、第2トレンチ61の長さ寸法よりも大きい。一例では、各ドレインコンタクト領域72の長さ寸法は、ソースコンタクト領域71の長さ寸法(ソースコンタクト領域71のY方向の寸法)と等しい。なお、各ドレインコンタクト領域72およびソースコンタクト領域71のそれぞれの長さ寸法は任意に変更可能である。
【0072】
MISFETセル60Aは、第2トレンチ61を覆う第3絶縁膜80を含む。第3絶縁膜80は、第2半導体層52の第1主面52Aに形成されたトレンチ85に埋め込まれている。第3絶縁膜80は、トランジスタ領域25のX方向の略全体にわたり形成されている。第3絶縁膜80は、ゲート電極65の一部を露出する第1開口部81と、ソースコンタクト領域71を露出する一対の第2開口部82と、ドレインコンタクト領域72を露出する一対の第3開口部83と、を含む。また、第3絶縁膜80は、素子分離構造30の一部を露出する第4開口部84を含んでいてよい。第3絶縁膜80の厚さH4は、ドレインコンタクト領域72の厚さ(ドレインコンタクト領域72のZ方向の寸法)およびソースコンタクト領域71の厚さ(ソースコンタクト領域71のZ方向の寸法)の双方よりも深い。
【0073】
(半導体装置の製造方法)
図4図14を参照して、半導体装置10の製造方法の一例について説明する。以下では、MISFET60の製造に関連する工程を示す。なお、図4図14において、図2図3に示す半導体装置10の構成要素と同様な構成要素には同一符号が付されている。
【0074】
図4に示すように、半導体装置10の製造方法は、半導体基板40上に第1半導体層51を形成する工程と、第1半導体層51上に第2半導体層52を形成する工程とを含む。
より詳細には、まずp型不純物を含む半導体基板40が準備される。半導体基板40として、例えば半導体ウエハが準備される。半導体ウエハは、例えばSiウエハである。続いて、半導体基板40上に第3半導体層53、第1半導体層51、および第2半導体層52が形成される。第3半導体層53、第1半導体層51、および第2半導体層52は、半導体基板40のエピタキシャル成長によって形成される。一例では、半導体基板40の表面部に、p型不純物(例えばB)が注入される。次に、p型不純物を導入しながらSiをエピタキシャル成長させることによって、半導体基板40上に第3半導体層53が形成される。次に、n型不純物を導入しながらSiをエピタキシャル成長させることによって、第3半導体層53上に第2半導体層52が形成される。その後、アニール処理を実施することによって、第3半導体層53の表面部に導入されたn型不純物が半導体基板40の厚さ方向の両側に拡散する。これにより、第3半導体層53と第2半導体層52との間に第1半導体層51(埋込層)が形成される。このように得られた半導体基板40および第1~第3半導体層51~53は、半導体チップ20に対応するので、第1主面21および第2主面22を有するといえる。以下の説明では、半導体基板40および第1~第3半導体層51~53を総称して、「半導体ウエハ」とする場合がある。
【0075】
図5に示すように、半導体装置10の製造方法は、第1トレンチ31、および第1トレンチ31よりも幅が狭い第2トレンチ61を形成する工程を含む。つまり、第1トレンチ31および第2トレンチ61は、共通の工程で形成される。換言すると、第1トレンチ31および第2トレンチ61は同時に形成される。
【0076】
より詳細には、第1主面21にハードマスク200が形成される。ハードマスク200は、第1主面21のうち第1トレンチ31および第2トレンチ61が形成される領域を露出する第1開口部201および第2開口部202を有する。第1開口部201は、第1主面21のうち第1トレンチ31が形成される領域を露出している。第2開口部202は、第1主面21のうち第2トレンチ61が形成される領域を露出している。続いて、ハードマスク200を介して半導体基板40および第1~第3半導体層51~53をエッチングすることによって、半導体基板40に達するように第1~第3半導体層51~53をZ方向に貫通する第1トレンチ31が形成される。一方、ハードマスク200を介して第2半導体層52、第1半導体層、および第3半導体層53をエッチングすることによって、第2トレンチ61が形成される。図5に示すとおり、第2トレンチ61は、第1トレンチ31よりも小さい幅を有する。ここで、第1トレンチ31は、平面視において閉じた環状に形成される。これにより、半導体ウエハにトランジスタ領域25が区画される。一方、第2トレンチ61は、トランジスタ領域25内において平面視でY方向に延びた直線状に形成される。
【0077】
第1トレンチ31の第1幅W1は、例えば0.5μm以上10μm以下であってよい。第1トレンチ31の第1幅W1は、例えば1.0μm以上5.0μm以下であってよい。第1トレンチ31の深さH1は、例えば5μm以上50μm以下であってよい。第2トレンチ61の第2幅W2は、例えば0.5μm以上3.0μm以下であってもよい。第2トレンチ61の深さH2は、例えば3μm以上30μm以下であってよい。
【0078】
図6に示すように、半導体装置10の製造方法は、第1トレンチ31の第1側面31A,31Bに第1拡散層34A,34Bを形成するとともに、第2トレンチ61の第2側面61Aに第2拡散層63を形成する工程を含む。
【0079】
図7および図8に示すように、半導体装置10の製造方法は、第1トレンチ31の第1側面31A,31Bに第1絶縁膜32A,32Bを形成するとともに、第2トレンチ61の第2側面61Aおよび第2底面61Cに第2絶縁膜62を形成する工程を備える。つまり、第1絶縁膜32A,32Bおよび第2絶縁膜62は、共通の工程で形成される。換言すると、第1絶縁膜32A,32Bおよび第2絶縁膜62は同時に形成される。
【0080】
より詳細には、図6に示すように、第1トレンチ31の第1側面31A,31Bと、第2トレンチ61の第2側面61Aと、にn型不純物が選択的に注入される。n型不純物は、例えば第1主面21の法線方向(Z方向)に対して3°~7°のチルト角をもって注入される。これにより、第1トレンチ31の第1側面31A,31Bと、第2トレンチ61の第2側面61Aと、に対してn型不純物を効率よく注入することができる。n型不純物としては、例えばPが用いられてよい。
【0081】
第2拡散層63の厚さT2は、第1拡散層34Aおよび第1拡散層34Bの厚さT1よりも小さい。図6において、第2拡散層63の厚さT2は、0.3μm以上3μm以下であってよい。好ましくは、第2拡散層63の厚さT2は、1.5μm以上1.7μm以下であってよい。ここで、第2拡散層63の厚さT2は、例えば平面視において第2拡散層63が延びる方向と直交する方向における第2拡散層63の寸法である。
【0082】
図7に示すように、半導体ウエハに対して熱酸化処理が実施される。これにより、第1トレンチ31の第1側面31A,31Bおよび第1底面31Cと、第2トレンチ61の第2側面61Aおよび第2底面61Cとに酸化膜210が形成される。この酸化膜210の形成時の熱によって、第1トレンチ31の第1側面31A,31Bと、第2トレンチ61の第2側面61Aと、に選択的に注入されたn型不純物が拡散する。これにより、第1トレンチ31の第1側面31A,31Bに第1拡散層34A,34Bが形成され、第2トレンチ61の第2側面61Aに第2拡散層63が形成される。続いて、エッチングによって、酸化膜210を選択的に除去する。一例では、酸化膜210のうち第1トレンチ31の第1底面31Cに形成された底面酸化膜211がエッチングによって除去される。これにより、図8に示すように、第1トレンチ31の第1側面31A,31Bに形成された第1絶縁膜32A,32Bと、第2トレンチ61に埋め込まれた第2絶縁膜62と、が形成される。
【0083】
図9に示すように、半導体装置10の製造方法は、第1トレンチ31内に埋め込み電極33を埋め込むとともに、第2トレンチ61内にゲート電極65を埋め込む工程を含む。より詳細には、例えばスパッタリングによって、第1トレンチ31の第1底面31Cおよび第1絶縁膜32A,32Bによって形成されたリセス空間と、第2トレンチ61の第2絶縁膜62によって形成されたリセス空間と、第1主面21上とに電極膜が形成される。電極膜は、例えばポリシリコンによって形成される。その後、エッチングによって第1主面21上の電極膜が除去される。続いて、リセス空間に埋め込まれた電極膜にp型不純物が注入される。p型不純物としては、例えばBが用いられてよい。これにより、埋め込み電極33とゲート電極65とが形成される。ここで、図8の底面酸化膜211が除去されたことにともない、第1トレンチ31の第1底面31Cは、半導体基板40が露出している。このため、第1トレンチ31に埋め込まれた埋め込み電極33は、半導体基板40と接している。
【0084】
図10に示すように、半導体装置10の製造方法は、第3絶縁膜80を形成する工程を含む。
より詳細には、第2半導体層52をエッチングすることによって、トレンチ85が形成される。一例では、第1主面52A上にマスク(図示略)が形成される。マスクは、第3絶縁膜80を形成すべき領域に対応する開口部を有する。マスクの開口部から、第2半導体層52、第1絶縁膜32A,32B、第1拡散層34A,34B、埋め込み電極33、第2絶縁膜62、第2拡散層63、ゲート電極65をエッチングすることによりトレンチ85が形成される。その後、各トレンチ85内に絶縁材料が堆積されることによって、第3絶縁膜80が形成される。絶縁材料としては、例えばSiOを含む材料が用いられてよい。
【0085】
図10に示すように、半導体装置10の製造方法は、ドレイン拡散領域67を形成する工程を含む。
より詳細には、ドレイン拡散領域67用のn型不純物が第1主面52Aに注入される。一例では、第1主面52A上にマスク(図示略)が形成される。マスクは、ドレイン拡散領域67を形成すべき領域に対応する開口部を有する。開口部は、例えば第1主面52Aのうち第1トレンチ31と第2トレンチ61の間であって第1トレンチ31の隣に形成されている。続いて、マスクの開口部を介して、第1主面52Aに対してn型不純物が注入される。これにより、第1主面52Aのうち第1トレンチ31の隣にドレイン拡散領域67が形成される。
【0086】
図12に示すように、半導体装置10の製造方法は、ウエル領域66を形成する工程を含む。
より詳細には、ウエル領域66用のp型不純物が第1主面52Aに注入される。一例では、第1主面52A上にマスク(図示略)が形成される。マスクは、ウエル領域66を形成すべき領域に対応する開口部を含む。開口部は、例えば第1主面52Aのうち第2トレンチ61の隣に形成されている。続いて、マスクの開口部を介して、第1主面52Aに対してp型不純物が注入される。これにより、第1主面52Aのうち第2トレンチ61の隣にウエル領域66が形成される。
【0087】
図13に示すように、半導体装置10の製造方法は、ソースコンタクト領域71とドレインコンタクト領域72を形成する工程を含む。
より詳細には、ソースコンタクト領域71用のn型不純物およびドレインコンタクト領域72用のn型不純物がそれぞれ第1主面52Aに注入される。一例では、第1主面52A上にマスク(図示略)が形成される。マスクは、ソースコンタクト領域71を形成すべき領域に対応する第1開口部と、ドレインコンタクト領域72を形成すべき領域に対応する第2開口部と、を含む。第1開口部は、平面視においてウエル領域66内に形成されている。第1開口部は、平面視において第1拡散層34Aと重なる位置に形成される。第2開口部は、平面視においてドレイン拡散領域67内に形成されている。第2開口部は、平面視において第2拡散層63と重なる位置に形成される。続いて、マスクの第1開口部および第2開口部を介して、第1主面52Aに対してn型不純物が注入される。これにより、ウエル領域66にソースコンタクト領域71が形成される。また、ドレイン拡散領域67にドレインコンタクト領域72が形成される。以上の工程を経て、半導体装置10が製造される。
【0088】
(作用)
半導体装置10の作用について説明する。
半導体装置10はMISFETセル60Aを含む。MISFETセル60Aは、第2トレンチ61の第2側面61Aおよび第2底面61Cに形成された第2絶縁膜62を含む。第2トレンチ61内に埋め込まれたゲート電極65は、第2絶縁膜62と接するウエル領域66と、第2絶縁膜62を挟んで対向している。ウエル領域66には、ソースコンタクト領域71が形成されている。また、ゲート電極65は、第2絶縁膜62を挟んで第2拡散層63と対向している。したがって、第2絶縁膜62は、ゲート絶縁膜として機能する。
【0089】
ゲート電極65と対向する第2拡散層63は、第1半導体層51と電気的に接続されている。第1半導体層51は、第1トレンチ31の第1拡散層34Aと電気的接続されている。第1拡散層34Aは、第1トレンチ31の第1絶縁膜32Aと電気的に接続されている。
【0090】
このようなMISFETセル60Aにおいては、ゲート電極65にゲート駆動電圧が印加されると、ゲート電極65と対向するウエル領域66にチャネルが形成され、ソースコンタクト領域71と第2拡散層63との間が導通する。これにより、ソースコンタクト領域71、ウエル領域66のチャネル、第2拡散層63、第1半導体層51、第1拡散層34A、およびドレインコンタクト領域72の経路に電流が流れる。つまり、MISFETセル60Aがオン状態となる。
【0091】
ゲート電極65とソースコンタクト領域71との間に介在するゲート絶縁膜となる第2絶縁膜62は、素子分離構造30を構成する第1トレンチ31内の第1絶縁膜32Aと同じ工程により形成される。この第2絶縁膜62は、ゲートプレート構造のMISFETにおけるゲート絶縁膜よりも厚くすることができる。したがって、このMISFETセル60Aは、ゲート耐圧の向上を図ることができる。たとえば、第2絶縁膜62の厚さT3を1000Åとすることにより、ゲート耐圧を100V程度とすることができる。
【0092】
MISFETセル60Aにおいて、ゲート電極65にゲート駆動電圧が印加されると、ソースコンタクト領域71、ウエル領域66のチャネル、第2拡散層63、第1半導体層51、第1拡散層34A、およびドレインコンタクト領域72の経路に電流が流れる。つまり、このMISFETセル60Aは、第1トレンチ31と第2トレンチ61との間の第2半導体層52を迂回して、ソースコンタクト領域71とドレインコンタクト領域72との間に電流が流れる。これにより、ドレインコンタクト領域72とソースコンタクト領域71との間の電流経路が長くなる。したがって、MISFETセル60Aの高耐圧化を図ることができる。
【0093】
(効果)
以上説明した半導体装置10によれば、以下の効果が得られる。
(1)半導体装置10は、第1導電型の半導体基板40と、半導体基板40上に形成された第2導電型の第1半導体層51と、第1半導体層51上に形成された第2導電型の第2半導体層52と、半導体基板40に至るように第2半導体層52および第1半導体層51を貫通して形成され、第1幅W1を有するとともに底面および側面を有する第1トレンチ31と、第1トレンチ31の側面を覆い、かつ第1トレンチ31の底面を露出するように形成された第1絶縁膜32Aと、第1絶縁膜32Aを介して第1トレンチ31に埋め込まれ、半導体基板40と接する埋め込み電極33と、第1トレンチ31の側面に形成され、第2半導体層52と接続された第2導電型の第1拡散層34Aと、第1幅W1よりも狭い第2幅W2を有するとともに底面および側面を有する第2トレンチ61と、第2トレンチ61の側面および底面を覆う第2絶縁膜62と、第2絶縁膜62を介して第2トレンチ61に埋め込まれたゲート電極65と、第2トレンチ61の側面に形成された第2導電型の第2拡散層63と、第2半導体層52の上面において第2絶縁膜62と接するように形成され、第2絶縁膜62を挟んでゲート電極65と対向する第1導電型のウエル領域66と、ウエル領域66に形成された第2導電型のソースコンタクト領域71と、第2半導体層52の上面に設けられ、第1拡散層34Aと電気的に接続された第2導電型のドレインコンタクト領域72と、を含む。
【0094】
この構成によれば、ゲート電極65とソースコンタクト領域71との間に介在するゲート絶縁膜となる第2絶縁膜62の厚さT3を厚くすることができる。したがって、このMISFETセル60Aは、ゲート耐圧の向上を図ることができる。
【0095】
(2)第2拡散層63が第1半導体層51に接続するように第2トレンチ61が第2半導体層52を貫通している。この構成によれば、ドレインコンタクト領域72とソースコンタクト領域71との間の電流経路は、第1トレンチ31と第2トレンチ61との間の第2半導体層52を迂回するように形成される。このため、電流経路を長くとることができる。したがって、半導体装置10の高耐圧化を図ることができる。
【0096】
(3)第1トレンチ31の周縁部に設けられ、ドレインコンタクト領域72と第2拡散層63との双方に接続されている第2導電型のドレイン拡散領域67を含む。この構成によれば、ドレインコンタクト領域72は、ドレイン拡散領域67によって第1拡散層34Aと電気的に接続される。したがって、ドレインコンタクト領域72をドレイン拡散領域67の範囲に形成すればよく、容易にドレインコンタクト領域72と第1拡散層34Aとを電気的に接続できる。また、ドレインコンタクト領域72の配置の自由度を高めることができる。
【0097】
(4)ウエル領域66とドレイン拡散領域67との間の距離L1が第2半導体層52の厚さT5よりも長い。この構成によれば、第1半導体層51を通してドレインコンタクト領域72とソースコンタクト領域71との間の電流経路が形成され易くなるため、半導体装置10の高耐圧化を図ることができる。
【0098】
(5)第2トレンチ61は、第2半導体層52および第1半導体層51の双方を貫通している。この構成によれば、第2トレンチ61の第2側面61A,61Bに形成された第2拡散層63を第1半導体層51に対して確実に電気的に接続することができる。
【0099】
(6)第1トレンチ31は第2半導体層52の上面から視て閉じた環状であり、第2トレンチ61は、第1トレンチ31により囲まれたトランジスタ領域25内に形成されている。この構成によれば、第2トレンチ61を含むMISFETセル60Aを他の素子に対して分離することができる。
【0100】
(7)第2トレンチ61の第2幅W2は、0.5μm以上3.0μm以下である。この構成によれば、第2トレンチ61の第2幅W2が狭いことによって、第1トレンチ31の第1底面31C上の底面酸化膜211を除去する工程において、第2トレンチ61の第2底面61C上の酸化膜210は残存し易い。この残存する酸化膜210によって第2絶縁膜62が構成される。したがって、第2トレンチ61に埋め込まれたゲート電極65と半導体基板40とが電気的に接続されることを抑制できる。
【0101】
(8)第1トレンチ31の第1幅W1は、1.0μm以上5.0μm以下である。この構成によれば、第1トレンチ31の第1底面31C上の底面酸化膜211を除去することができ、第1トレンチ31を含む素子分離構造30を容易に形成できる。
【0102】
(9)第2絶縁膜62の厚さT3は、100Å以上3000Å以下である。この構成によれば、第2絶縁膜62の厚さT3に応じたゲート耐圧の半導体装置10を得ることができる。
【0103】
(10)第2絶縁膜62の底面絶縁膜62Cの厚さT4は、第2絶縁膜62の側面絶縁膜62Aの厚さT3よりも厚い。この構成によれば、第2トレンチ61に埋め込まれたゲート電極65と半導体基板40との間の距離を大きくすることができる。
【0104】
(11)半導体装置の製造方法は、第1導電型の半導体基板40上に第2導電型の第1半導体層51を形成する工程と、第1半導体層51上に第2導電型の第2半導体層52を形成する工程と、第1トレンチ31、及び、第1トレンチ31よりも幅が狭い第2トレンチ61を形成する工程と、第1トレンチ31の側面に第2導電型の第1拡散層34Aを形成するとともに、第2トレンチ61の側面に第2導電型の第2拡散層63を形成する工程と、第1トレンチ31内に第1絶縁膜を形成するとともに、第2トレンチ61内に第2絶縁膜を形成する工程と、第1トレンチ31内に埋め込み電極33を形成するとともに、第2トレンチ61内にゲート電極65を形成する工程と、第2半導体層52の上面において第2絶縁膜と接する位置であって第2絶縁膜を挟んでゲート電極65と対向する位置に第1導電型のウエル領域66を形成する工程と、ウエル領域66に第2導電型のソースコンタクト領域71を形成するとともに、第1拡散層34Aと電気的に接続する第2導電型のドレインコンタクト領域72を形成する工程と、を含む。
【0105】
この構成によれば、ゲート電極65とソースコンタクト領域71との間に介在するゲート絶縁膜となる第2絶縁膜62の厚さT3を厚くすることができる。したがって、このMISFETセル60Aは、ゲート耐圧の向上を図ることができる。
【0106】
(12)第1トレンチ31および第2トレンチ61が共通の工程で形成され、第1絶縁膜32A,32Bおよび第2絶縁膜62が共通の工程で形成されるため、半導体装置10の製造工程の簡素化を図ることができる。
【0107】
(変更例)
上記実施形態は例えば以下のように変更できる。上記実施形態と以下の各変更例は、技術的な矛盾が生じない限り、互いに組み合せることができる。なお、以下の変更例において、上記実施形態と共通する部分については、上記実施形態と同一の符号を付してその説明を省略する。
【0108】
図14に示すように、半導体装置10Aの半導体チップ20は、ドレイン拡散領域67が省略されている。このように、ドレイン拡散領域67が省略された半導体装置10(半導体チップ20)は、X方向において、ウエル領域66と第1拡散層34Aとの間の距離L1Aをより長くすることができる。一方、ウエル領域66と第1拡散層34Aとの間の距離L1Aを、上記実施形態のウエル領域66と第1拡散層34Aとの間の距離L1と同じとすることにより、MISFETセル60Aが占める面積を小さくできる。これにより、半導体装置10Bを小型化できる。
【0109】
・上記実施形態において、第2トレンチ61の深さH2は任意に変更可能である。一例では、図15に示すように、第2トレンチ61は、半導体基板40まで達していなくてもよい。つまり、第2トレンチ61は、第2半導体層52の第1主面52Aから第3半導体層53まで延びていてよい。
【0110】
・上記実施形態において、第2トレンチ61の深さH2と第2幅W2との関係は任意に変更可能である。一例では、第2トレンチ61の深さH2は、第2トレンチ61の幅よりも浅くてもよい。
【0111】
・上記実施形態において、第2トレンチ61の第2底面61Cの形状は任意に変更可能である。一例では、第2底面61Cは、第2トレンチ61の深さ方向(Z方向)と直交する平坦面であってもよい。
【0112】
・ウエル領域66とドレイン拡散領域67との間の距離L1が第2半導体層52の厚さT5と等しくてもよい。また、ウエル領域66とドレイン拡散領域67との間の距離L1が第2半導体層52の厚さT5よりも短くてもよい。
【0113】
・上記実施形態では、第1導電型がn型、第2導電型がp型である例について説明したが、第1導電型がp型、第2導電型がn型であってもよい。この場合の具体的な構成は、上記の説明および添付図面においてn型領域をp型領域に置き換え、p型領域をn型領域に置き換えることによって得られる。
【0114】
本開示で使用される「~上に」という用語は、文脈によって明らかにそうでないことが示されない限り、「~上に」と「~の上方に」との双方の意味を含む。したがって、「第1層が第2層上に形成される」という表現は、或る実施形態では第1層が第2層に接触して第2層上に直接配置され得るが、他の実施形態では第1層が第2層に接触することなく第2層の上方に配置され得ることが意図される。すなわち、「~上に」という用語は、第1層と第2層との間に他の層が形成される構造を排除しない。
【0115】
本開示で使用されるZ軸方向は必ずしも鉛直方向である必要はなく、鉛直方向に完全に一致している必要もない。したがって、本開示による種々の構造(たとえば、図1に示される構造)は、本明細書で説明されるZ軸方向の「上」および「下」が鉛直方向の「上」および「下」であることに限定されない。たとえば、X軸方向が鉛直方向であってもよく、またはY軸方向が鉛直方向であってもよい。
【0116】
(付記)
本開示から把握できる技術的思想を以下に記載する。なお、限定する意図ではなく理解の補助のために、付記に記載される構成要素には、実施形態中の対応する構成要素の参照符号が付されている。参照符号は、理解の補助のために例として示すものであり、各付記に記載された構成要素は、参照符号で示される構成要素に限定されるべきではない。
【0117】
(付記1)
第1導電型の半導体基板(40)と、
前記半導体基板(40)上に形成された第2導電型の第1半導体層(51)と、
前記第1半導体層(51)上に形成された第2導電型の第2半導体層(52)と、
前記半導体基板(40)に至るように前記第2半導体層(52)および前記第1半導体層(51)を貫通して形成され、第1幅(W1)を有するとともに底面(31C)および側面(31A)を有する第1トレンチ(31)と、
前記第1トレンチ(31)の前記側面(31A)を覆い、かつ前記第1トレンチ(31)の前記底面(31C)を露出するように形成された第1絶縁膜(32A)と、
前記第1絶縁膜(32A)を介して前記第1トレンチ(31)に埋め込まれ、前記半導体基板(40)と接する埋め込み電極(33)と、
前記第1トレンチ(31)の前記側面(31A)に形成され、前記第2半導体層(52)と接続された第2導電型の第1拡散層(34A)と、
前記第1幅(W1)よりも狭い第2幅(W2)を有するとともに底面(61C)および側面(61A,61B)を有する第2トレンチ(61)と、
前記第2トレンチ(61)の前記側面(61A,61B)および前記底面(61C)を覆う第2絶縁膜(62)と、
前記第2絶縁膜(62)を介して前記第2トレンチ(61)に埋め込まれたゲート電極(65)と、
前記第2トレンチ(61)の前記側面(61A,61B)に形成された第2導電型の第2拡散層(63)と、
前記第2半導体層(52)の上面において前記第2絶縁膜(62)と接するように形成され、前記第2絶縁膜(62)を挟んで前記ゲート電極(65)と対向する第1導電型のウエル領域(66)と、
前記ウエル領域(66)に形成された第2導電型のソースコンタクト領域(71)と、
前記第2半導体層(52)の上面に設けられ、前記第1拡散層(34A)と電気的に接続された第2導電型のドレインコンタクト領域(72)と、
を含む、半導体装置。
【0118】
(付記2)
前記第2拡散層(63)が前記第1半導体層(51)に接続するように前記第2トレンチ(61)が前記第2半導体層(52)を貫通している、
付記1に記載の半導体装置。
【0119】
(付記3)
前記第1トレンチ(31)の周縁部に設けられ、前記ドレインコンタクト領域(72)と前記第2拡散層(63)との双方に接続されている第2導電型のドレイン拡散領域(67)を含む、
付記1または付記2に一つに記載の半導体装置。
【0120】
(付記4)
前記ウエル領域(66)と前記ドレイン拡散領域(67)との間の距離(L1)が前記第2半導体層(52)の厚さ(T5)よりも長い、
付記3に記載の半導体装置。
【0121】
(付記5)
前記ウエル領域(66)と前記ドレイン拡散領域(67)との間の距離(L1)が前記第2半導体層(52)の厚さ(T5)よりも短い、
付記3に記載の半導体装置。
【0122】
(付記6)
前記半導体基板(40)と前記第1半導体層(51)との間に形成された第1導電型の第3半導体層(53)を含む、
付記1から付記5のいずれか一つに記載の半導体装置。
【0123】
(付記7)
前記第2トレンチ(61)は、前記第2半導体層(52)および前記第1半導体層(51)の双方を貫通している、
付記1から付記6のいずれか一つに記載の半導体装置。
【0124】
(付記8)
前記第1トレンチ(31)は前記第2半導体層(52)の上面から視て閉じた環状であり、前記第2トレンチ(61)は、前記第1トレンチ(31)により囲まれた領域(25)内に形成されている、
付記1から付記7のいずれか一つに記載の半導体装置。
【0125】
(付記9)
前記第2トレンチ(61)の前記第2幅(W2)は、0.5μm以上3.0μm以下である、
付記1から付記8のいずれか一つに記載の半導体装置。
【0126】
(付記10)
前記第1トレンチ(31)の前記第1幅(W1)は、1.0μm以上5.0μm以下である、
付記1から付記9のいずれか一つに記載の半導体装置。
【0127】
(付記11)
前記第2トレンチ(61)の深さ(H2)は、3μm以上30μm以下である、
付記1から付記10のいずれか一つに記載の半導体装置。
【0128】
(付記12)
前記第1トレンチ(31)の深さ(H1)は、5μm以上50μm以下である、
付記1から付記11のいずれか一つに記載の半導体装置。
【0129】
(付記13)
前記第2絶縁膜(62)の厚さ(T3)は、100Å以上3000Å以下である、
付記1から付記12のいずれか一つに記載の半導体装置。
【0130】
(付記14)
前記第2絶縁膜(62)の底面絶縁膜(62C)の厚さ(T4)は、前記第2絶縁膜(62)の側面絶縁膜(62A)の厚さ(T3)よりも厚い、
付記1から付記13のいずれか一つに記載の半導体装置。
【0131】
(付記15)
前記ゲート電極(65)の厚さ方向(Z)の長さ(H3)は、前記ゲート電極(65)の幅(W3)よりも長い、
付記1から付記14のいずれか一つに記載の半導体装置。
【0132】
(付記16)
第1導電型の半導体基板(40)上に第2導電型の第1半導体層(51)を形成する工程と、
前記第1半導体層(51)上に第2導電型の第2半導体層(52)を形成する工程と、
第1トレンチ(31)、及び、前記第1トレンチ(31)よりも幅が狭い第2トレンチ(61)を形成する工程と、
前記第1トレンチ(31)の側面に第2導電型の第1拡散層(34A)を形成するとともに、前記第2トレンチ(61)の側面に第2導電型の第2拡散層(63)を形成する工程と、
前記第1トレンチ(31)内に第1絶縁膜(32A,32B)を形成するとともに、前記第2トレンチ(61)内に第2絶縁膜(62)を形成する工程と、
前記第1トレンチ(31)内に埋め込み電極(33)を形成するとともに、前記第2トレンチ(61)内にゲート電極(65)を形成する工程と、
前記第2半導体層(52)の上面において前記第2絶縁膜(62)と接する位置であって前記第2絶縁膜(62)を挟んで前記ゲート電極(65)と対向する位置に第1導電型のウエル領域(66)を形成する工程と、
前記ウエル領域(66)に第2導電型のソースコンタクト領域(71)を形成するとともに、前記第1拡散層(34A)と電気的に接続する第2導電型のドレインコンタクト領域(72)を形成する工程と、
を含む、半導体装置の製造方法。
【0133】
(付記17)
前記半導体基板(40)上に第1導電型の第3半導体層(53)を形成する工程を含み、
前記第1半導体層(51)は、前記第3半導体層(53)上に形成される、
付記16に記載の半導体装置の製造方法。
【0134】
以上の説明は単に例示である。本開示の技術を説明する目的のために列挙された構成要素および方法(製造プロセス)以外に、より多くの考えられる組み合わせおよび置換が可能であることを当業者は認識し得る。本開示は、特許請求の範囲を含む本開示の範囲内に含まれるすべての代替、変形、および変更を包含することが意図される。
【符号の説明】
【0135】
10,10A,10B 半導体装置
20 半導体チップ
21 第1主面
22 第2主面
23 素子領域
25 トランジスタ領域
27 パッド
30 素子分離構造
31 第1トレンチ
31A,31B 第1側面
31C 第1底面
32A,32B 第1絶縁膜
33 埋め込み電極
34A,34B 第1拡散層
40 半導体基板
41 第1基板主面
42 第2基板主面
50 半導体層
51 第1半導体層
51A 第1主面
51B 第2主面
52 第2半導体層
52A 第1主面
52B 第2主面
53 第3半導体層
54 pn接合部
60 MISFET
60A MISFETセル
61 第2トレンチ
61A,61B 第2側面
61C 第2底面
62 第2絶縁膜
62A 側面絶縁膜
62C 底面絶縁膜
63 第2拡散層
65 ゲート電極
66 ウエル領域
67 ドレイン拡散領域
71 ソースコンタクト領域
72 ドレインコンタクト領域
80 第3絶縁膜
81~84 第1~第4開口部
85 トレンチ
100 半導体モジュール
110 ダイパッド
120 リード端子
121~128 第1~第8リード端子
130 ワイヤ
140 封止樹脂
141,142 第1,第2主面
142 第2主面
143~146 第1~第4側面
200 ハードマスク
201,202 第1,第2開口部
210 酸化膜
211 底面酸化膜
H1 深さ
H2 深さ
H3 長さ
H4 厚さ
L1,L1A 距離
SD 導電性接合材
T1~T5 厚さ
W1 第1幅
W2 第2幅
W3 幅
図1
図2
図3
図4
図5
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図8
図9
図10
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図12
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図15