JP2000216385A - トレンチゲ―ト型半導体装置 - Google Patents

トレンチゲ―ト型半導体装置

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JP2000216385A JP11017416A JP1741699A JP2000216385A JP 2000216385 A JP2000216385 A JP 2000216385A JP 11017416 A JP11017416 A JP 11017416A JP 1741699 A JP1741699 A JP 1741699A JP 2000216385 A JP2000216385 A JP 2000216385A
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trench gate
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 トレンチ端部でのゲート酸化膜耐圧の低下を
抑え、且つ、トレンチへの電極材料の埋め込み性が悪化
しないトレンチゲート構造を提供する。 【解決手段】 トレンチ18は終端部分が無い環形に形
成されている。従って、トレンチ18は終端部分が無い
長円環状なので、エッチングガスの滞留が抑えられ、加
工形状が加工精度の範囲内で一定となる。よって、ゲー
ト酸化膜20もその膜厚を均一に形成することができる
ため、ゲート酸化膜耐圧の低下を抑えることができる。
また、トレンチ18の幅は、トレンチ全体に亘って、加
工精度の範囲内でほぼ一定になるように形成されてい
る。従って、トレンチ全体に亘って、トレンチゲート電
極22の材料となる多結晶シリコンを隙間無く埋めるこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、トレンチゲート構
造を有する半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】電力増幅回路、インバータ等に使用され
る電力用半導体装置としては、部分的にFET構造を持
つIGBT(Insulated Gate Bipo
larTransistor)や、パワーMOSFET
(Metal OxideSemiconductor
Field−Effect Transistor)
等の半導体素子を有する半導体装置が用いられている。
【0003】このようなFET構造を持つ半導体装置に
おいては、チャネル幅を増大させることにより、容易に
大電流化を達成することができる。しかし、チャネル幅
を増大させると、チップ面積が増大する。そこで、チッ
プ面積の増大を抑えるため、トレンチゲート構造を有す
るFETが注目されている。
【0004】図4(a)には、トレンチゲート構造を有
するパワーMOSFETの平面図が示されており、図4
(b)には、図4(a)のA−A’線での断面図が示さ
れている。トレンチゲート構造は、半導体基板中にドラ
イエッチング法で溝部(以下、トレンチとする)18が
形成され、その後ゲート酸化によるゲート酸化膜20の
形成、ポリシリコンCVD法を用いたトレンチ18への
電極材料の埋め込みによるトレンチゲート電極22の形
成を経て、形成される。
【0005】トレンチ18の端部40,42は、エッチ
ングガスの滞留や、エッチングの反応熱による基板温度
の局所的な不均一によって、加工形状が不均一になりや
すい。このトレンチの端部40,42における加工形状
の不均一により、トレンチ18形成後に形成されるゲー
ト酸化膜20の形状も均一性を保つことが難しい。その
ため、ゲート酸化膜20の厚さが不均一となり、ゲート
酸化膜20が薄くなった部分でゲート酸化膜圧耐圧が低
下する。
【0006】さらに、トレンチ18の端部40,42
は、ゲート酸化時に応力が集中しやすい場所であり、結
晶欠陥に起因する酸化膜不良も発生しやすい。
【0007】このような問題を回避する技術として、特
開平10−214968号には、図5に示されているよ
うに、トレンチ18の終端部をチップ外周部に沿ったト
レンチを有する電界緩和部50に接続することが開示さ
れている。このような、電界緩和部50で、トレンチ1
8の端部に局部的な高電界の発生が防止される。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図5に
示された方法では、トレンチの交差部分のトレンチ幅が
広くなってしまい、トレンチ幅が狭い部分と広い部分が
できてしまう。図6には、幅の異なったトレンチに電極
材料60を埋め込んだときの、埋め込みの状態の概略図
が示されている。トレンチ62はその幅がW1で、トレ
ンチ64は幅がW2であり、W2>W1の関係がある。
トレンチ62は、トレンチ幅が狭いので電極材料がトレ
ンチを埋めることが可能である。しかしながら、トレン
チ64はトレンチ幅が広いので、トレンチを電極材料6
0で埋め込むことができず、埋め込み性が悪くなるとい
う問題が発生する。
【0009】本発明は、上記課題に鑑みなされたもので
あり、ゲート酸化膜耐圧の低下を抑え、電極材料の埋め
込み性が悪化しないトレンチゲート構造を有する半導体
装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】第一の本発明は、半導体
基板主面に設けられた溝部にゲート電極となる導電体層
が埋め込まれたトレンチゲート構造を備える電界効果ト
ランジスタを有するトレンチゲート型半導体装置であっ
て、前記トレンチゲート構造は、前記溝部の前記基板主
面での平面構造が終端部分を持たない円環状であり、且
つ、前記溝部の幅がほぼ一定である円環状のトレンチゲ
ート構造であることを特徴とする。
【0011】従って、第一の発明に係るトレンチゲート
型半導体装置は、そのトレンチゲート構造の溝部に終端
部分がなく、基板主面での平面形状が円環状となってい
るので、溝部の加工形状が均一となり、ゲート酸化膜耐
圧の低下を抑えることができる。また、溝部の幅はほぼ
一定であるので、電極材料を隙間が空くことなく埋め込
むことが可能である。
【0012】また、第二の本発明は、半導体基板主面に
設けられた溝部にゲート電極となる導電体層が埋め込ま
れたトレンチゲート構造を備える電界効果トランジスタ
を有するトレンチゲート型半導体装置であって、前記ト
レンチゲート構造は、前記溝部の前記基板主面での平面
構造が終端部分を持たず、直線部分と湾曲部分とを備え
た長円環状であり、且つ、前記溝部の幅がほぼ一定であ
る長円環状のトレンチゲート構造であることを特徴とす
る。
【0013】溝部の基板主面での平面形状は、直線部分
と湾曲部分とを備えた長円環状であってもよい。溝部に
終端部分を持たないので、溝部の加工形状が均一とな
り、ゲート酸化膜耐圧の低下を抑えることができる。
【0014】また、第三の本発明は、トレンチゲート型
半導体装置であって、前記第一の本発明または第二の本
発明に記載のトレンチゲート構造を備える電界効果トラ
ンジスタを複数有することを特徴とする。
【0015】トレンチゲート型半導体装置は、前記第一
の本発明または第二の本発明に記載のトレンチゲート構
造を有する電界効果トランジスタを複数有していてもよ
い。
【0016】また、第四の本発明は、前記第一の本発
明、第二の本発明または第三の本発明記載のトレンチゲ
ート型半導体装置であって、前記導電体層が、堆積技術
により形成された埋め込み材料で構成されることを特徴
とする。
【0017】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態(以下
実施形態という)を、図面に従って説明する。
【0018】図1(a)は、本実施形態の半導体装置の
トレンチゲート構造を有するパワーMOSFETの要部
を表す平面図であり、図1(b)は、図1中のA−A’
線での断面図である。なお、図1(a)では、ソース取
り出し配線及び層間絶縁膜は図示せず、トレンチゲート
電極のみを示し、これに斜線を付す。
【0019】本実施形態のパワーMOSFET100
は、N型半導体基板12上に形成されている。N型半導
体基板12上には、N型層14が形成され、このN型層
がドレイン領域となる。また、N型層14上にはP型層
16が形成されている。溝(トレンチ)18は、半導体
基板上の上層の主面10からP型層16を貫通してN型
層14に達するように設けられている。溝18内には、
二酸化シリコンで形成されるゲート酸化膜20を介し
て、多結晶シリコンで形成されるトレンチゲート電極2
2が設けられている。主面10でトレンチゲート電極2
2の周辺部には、N型層24が形成されており、このN
型層24がソース領域となる。そして、P型層16のゲ
ート酸化膜20の周辺部がチャネル領域となる。半導体
基板12の裏面には、ドレイン引き出し電極26が形成
されており、主面10上には、層間絶縁膜28を介して
ソース引き出し電極30が形成されている。
【0020】このように、本実施形態のトレンチ構造を
有するパワーMOSFETにおいては、トレンチ18が
終端部分が無く、主面10での平面形状は直線部分と湾
曲部分を持つ長円環状上に形成されている。
【0021】また、トレンチ18の幅W1,W2,W3
は、加工精度の範囲内で一定になるように形成されてお
り、トレンチ18全体で、その幅がほぼ一定になるよう
に形成されている。
【0022】次に、本実施形態のトレンチ構造の形成方
法について説明する。
【0023】N型半導体基板12上にN型層14、P型
層16、N型層24がそれぞれ形成された後、レジスト
が塗布され、フォトリソグラフィ法を用いて、主面10
のトレンチを形成しない部位にマスクが施される。この
とき、トレンチ18の幅が一定になるように、マスクは
パターニングされる。その後、ドライエッチング法で主
面10上のマスクされていない部分がエッチングされ、
トレンチ18が形成される。なお、レジストをエッチン
グのマスクとした場合には、マスクとしての充分な耐久
性が得られない場合がある。その場合は、N型層24を
形成後表面にシリコン酸化膜を形成し、その表面にレジ
スト塗布、パターニングを行ってシリコン酸化膜のエッ
チングマスクを形成し、これをマスクにしてトレンチ形
成を行ってもよい。本実施形態では、トレンチ18は終
端部分がないので、ドライエッチング時にトレンチ18
内でエッチングガスが滞留することを抑えることができ
る。従って、トレンチ18を、トレンチ18全体に亘っ
て、ほぼ一定な幅に加工することができる。
【0024】トレンチ18を形成した後は、トレンチ1
8内部を含み、主面10全面にゲート酸化膜20となる
二酸化シリコン膜を形成する。トレンチ18の加工形状
が均一であるため、トレンチ18内で酸化膜の厚さを均
一に形成することができる。
【0025】その後、主面10全面にトレンチゲート電
極22となる多結晶シリコンがCVD法で堆積され、ト
レンチ18内部が埋め込まれる。トレンチ18は、その
幅がトレンチ18全体に亘ってほぼ一定になるように加
工されているので、トレンチ18内部を多結晶シリコン
で隙間無く埋めることができる。
【0026】その後、エッチバックで主面10上の酸化
膜と多結晶シリコンが取り除かれる。
【0027】このように、本実施形態では、トレンチ1
8が終端部分を持たない長円環状であるため、トレンチ
18を均一に加工することが可能であるので、ゲート酸
化膜20の厚さの不均一さが少なくなり、ゲート酸化膜
の耐圧の低下を抑えることが可能である。また、トレン
チ18の幅が加工精度内で一定であるので、トレンチ1
8の全体に亘って電極材料を隙間無くトレンチ18内に
埋め込むことが可能である。
【0028】なお、本実施形態のトレンチ構造では、ト
レンチ18をその平面形状が長円環状になるように形成
したが、これに限定しているわけではない。例えば、図
2に示すような平面形状が円環形のトレンチゲート構造
等の、トレンチが終端部分を持たない形状であればよ
い。
【0029】また、図3に示されているように、一つの
パワーMOSFET内に、トレンチゲート構造を有する
FETを複数含んでいてもよい。
【0030】なお、本実施形態のトレンチゲート構造は
パワーMOSFET以外のFETや、FETの構造有す
る半導体装置、例えばIGBT等にも適用が可能であ
る。
【0031】
【発明の効果】以上のように、本発明では、トレンチゲ
ート構造部で溝部に終端部分がないので、ゲート酸化膜
耐圧の低下を抑えることが可能である。また、溝部の幅
がほぼ一定であるので、溝部に電極材料を隙間無く埋め
ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本実施形態の半導体装置の概略図である。
【図2】 本実施形態の円形のトレンチゲート構造を有
する半導体装置の平面図である。
【図3】 本実施形態の複数のトレンチゲート構造を有
する半導体装置の平面図である。
【図4】 従来のトレンチゲート構造を有するパワーM
OSFETの平面図および断面図である。
【図5】 従来の電界緩和部を有するトレンチゲート構
造の概略図である。
【図6】 幅の異なった溝部に電極材料を埋め込んだと
きの、埋め込みの状態が示された概略図である。
【符号の説明】
10 基板主面、12 N型半導体基板、14,24
N型層、16 P型層、18 トレンチ、20 ゲート
酸化膜、22 トレンチゲート電極、100パワーMO
SFET。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 29/78 658G

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板主面に設けられた溝部にゲー
    ト電極となる導電体層が埋め込まれたトレンチゲート構
    造を備える電界効果トランジスタを有するトレンチゲー
    ト型半導体装置であって、 前記トレンチゲート構造は、前記溝部の前記基板主面で
    の平面構造が終端部分を持たない円環状であり、且つ、
    前記溝部の幅がほぼ一定である円環状のトレンチゲート
    構造であることを特徴とするトレンチゲート型半導体装
    置。
  2. 【請求項2】 半導体基板主面に設けられた溝部にゲー
    ト電極となる導電体層が埋め込まれたトレンチゲート構
    造を備える電界効果トランジスタを有するトレンチゲー
    ト型半導体装置であって、 前記トレンチゲート構造は、前記溝部の前記基板主面で
    の平面構造が終端部分を持たず、直線部分と湾曲部分と
    を備えた長円環状であり、且つ、前記溝部の幅がほぼ一
    定である長円環状のトレンチゲート構造であることを特
    徴とするトレンチゲート型半導体装置。
  3. 【請求項3】 請求項1または請求項2に記載のトレン
    チゲート構造を備える電界効果トランジスタを複数有す
    ることを特徴とするトレンチゲート型半導体装置。
  4. 【請求項4】 請求項1、請求項2または請求項3に記
    載のトレンチゲート型半導体装置であって、 前記導電体層が、堆積技術により形成された埋め込み材
    料で構成されることを特徴とするトレンチゲート型半導
    体装置。
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