JP2001284587A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
ステンゲートを採用できるようにすることを最も主要な
特徴としている。 【解決手段】たとえば、ゲートトレンチ12内にポリシ
リコンを埋め込んでダミー電極16を形成した後、ゲッ
ター処理などの高温熱処理工程を実施する。この後、ゲ
ートトレンチ12内のポリシリコンを除去し、再度、ゲ
ートトレンチ12内にタングステン膜を埋め込んでトレ
ンチゲート電極18を形成する。こうすることで、熱に
よるタングステン膜の収縮を抑え、トレンチ12内に隙
間ができるのを防ぐ構成となっている。
Description
びその製造方法に関するもので、特に、第3世代のトレ
ンチゲート型MOSFET(U−MOSFET)やトレ
ンチゲート型IGBT(U−IGBT)に関する。
さらなる小型化、省エネルギー化、低価格化などが求め
られている。このような要求に対応するため、第3世代
のU−MOSFETの開発が行われている。
て、従来から用いられているリンドープポリシリコンに
代え、トレンチゲートの電極材料にメタルを用いること
によって、ゲート抵抗の低減によるスイッチング特性の
向上を図る研究が進められている。
トの電極材料として、タングステン(W)を用いた場合
を例に示すものである。
に、半導体基板101の主表面には、ゲートトレンチ1
02,102が形成されている。上記基板101は、n
+ 型のシリコン基板101a上にn- 型のエピタキシャ
ル層101bが形成され、このエピタキシャル層101
bにp型不純物領域(pベース領域)101cとn+型
不純物領域(n+ ソース領域)101dとが設けられた
構造になっている。
記基板101の主表面からエピタキシャル層101bに
達する深さで形成されている。上記ゲートトレンチ10
2,102内の、上記基板101の表面にはゲート酸化
膜103,103が形成され、これらゲート酸化膜10
3,103(必要に応じて、さらに、チタン(Ti)膜
/チタンナイトライド(TiN)膜)を介して、上記ゲ
ートトレンチ102,102内にはタングステン膜から
なるトレンチゲート電極(タングステンゲート)10
4,104が埋め込まれている。
ば図7に示すように、熱を加えることによってグレイン
が変化するという性質がある。
ングステン膜を加熱した際の応力熱履歴(ストレス測定
結果)を示すものである。
膜のストレスが変化し、収縮することがわかる(温度が
下がっても、元の状態には戻らない)。
極材料にリンドープポリシリコン(成膜温度560℃)
を用いる現行の製造プロセスを適用して、タングステン
ゲート104,104を形成しようとすると、タングス
テン膜はゲッター処理(900〜950℃)などの熱工
程による影響をもろに受けることになる。
に、タングステン膜が収縮して、ゲートトレンチ10
2,102内に隙間105を生じたり、図示していない
層間絶縁膜となるUDO(Un Doped Oxid
e)膜とのストレス差が大きくなって、タングステン膜
が剥がれたりする。
は、タングステン膜を埋め込んだ後にゲッター処理など
を行うため、タングステン膜に対して必ず800℃以上
の高温熱処理工程が行われることになる結果、トレンチ
の内部に隙間ができるなどの問題があった。
においては、トレンチゲートの電極材料にメタルを用い
ることで、ゲート抵抗を低減し、スイッチング特性の向
上を図ることができるものの、タングステン膜は熱が加
えられると収縮するため、現行の製造プロセスを適用し
ようとすると、ゲートトレンチ内に隙間が発生するなど
の問題があった。
えつつ、ゲート抵抗を低減でき、スイッチング特性の向
上を図ることが可能な半導体装置およびその製造方法を
提供することを目的としている。
めに、この発明の半導体装置にあっては、第1の半導体
領域と、この第1の半導体領域の一主面に形成され、前
記第1の半導体領域よりも不純物濃度が低い第1導電型
の第2の半導体領域と、この第2の半導体領域上に形成
された第2導電型の第3の半導体領域と、この第3の半
導体領域の表面領域に形成され、前記第2の半導体領域
よりも不純物濃度が高い第1導電型の第4の半導体領域
と、前記第4および第3の半導体領域を貫通し、前記第
2の半導体領域に達する深さを有して形成された複数の
トレンチゲート用溝部と、それぞれの、前記トレンチゲ
ート用溝部の内面に沿って形成されたゲート絶縁膜と、
このゲート絶縁膜を介して、前記トレンチゲート用溝部
内に低融点金属を埋め込んでなるゲート電極とを具備し
てなることを特徴とする。
あっては、トレンチ内に、ゲート絶縁膜を介してダミー
電極材料を埋め込む工程と、高温熱処理を行った後に、
前記トレンチ内に埋め込まれた前記ダミー電極材料を除
去する工程と、前記ダミー電極材料が除去された前記ト
レンチ内に低融点金属を埋め込んで、ゲート電極を形成
する工程とを備えてなることを特徴とする。
にあっては、第1の半導体領域の一主面に、前記第1の
半導体領域よりも不純物濃度が低い第1導電型の第2の
半導体領域が形成され、この第2の半導体領域上に第2
導電型の第3の半導体領域が形成され、この第3の半導
体領域の表面領域に、前記第2の半導体領域よりも不純
物濃度が高い第1導電型の第4の半導体領域が形成され
てなる基板に対し、前記第4および第3の半導体領域を
貫通し、前記第2の半導体領域に達する深さを有して複
数のトレンチゲート用溝部を形成する工程と、それぞれ
の、前記トレンチゲート用溝部の内面に沿って形成され
たゲート絶縁膜を介して、前記トレンチゲート用溝部内
にダミー電極材料を埋め込む工程と、前記基板に対し、
高温熱処理を施す工程と、前記トレンチゲート用溝部内
に埋め込まれた前記ダミー電極材料を除去する工程と、
前記ダミー電極材料が除去された前記トレンチゲート用
溝部内に、低融点金属を埋め込んでゲート電極を形成す
る工程とを備えてなることを特徴とする。
によれば、低融点金属を埋め込んだ後の熱工程を回避で
きるようになる。これにより、低融点金属が収縮したり
するのを防ぐことが可能となるものである。
いて図面を参照して説明する。
3世代のトレンチゲート型MOSFET(U−MOSF
ET)の構成例を示すものである。なお、同図(a)は
ゲートトレンチを透視して示す概略平面図、同図(b)
は図(a)のb−b線に沿う概略断面図、同図(c)は
図(a)のc−c線に沿う概略断面図である。
の主表面に、ゲートトレンチ(トレンチゲート用溝部)
12,12,…、コンタクトトレンチ(トレンチコンタ
クト用溝部)13、および、ゲートダイレクトコンタク
ト形状のゲートの引き出し用トレンチ14,14,…が
形成され、上記ゲートトレンチ12,12,…内にゲー
ト絶縁膜とゲート電極材料(タングステン膜)とが埋め
込み形成されたトレンチゲート構造になっている。
(第1導電型の第1の半導体領域)11a上にn- 型の
エピタキシャル層(第1導電型の第2の半導体領域)1
1bが形成され、このエピタキシャル層11bにpベー
ス領域となるp型不純物領域(第2導電型の第3の半導
体領域)11cとn+ ソース領域となるn+ 型不純物領
域(第1導電型の第4の半導体領域)11dとが形成さ
れた構造になっており、上記ゲートトレンチ12,1
2,…および上記ゲートの引き出し用トレンチ14,1
4,…は上記エピタキシャル層11bに達する深さで形
成されている。
上記ゲートの引き出し用トレンチ14,14,…内の、
上記基板11の表面には、ゲート酸化膜(ゲート絶縁
膜)15,15,…が形成されている。また、これらゲ
ート酸化膜15,15,…を介して、上記ゲートトレン
チ12,12,…および上記ゲートの引き出し用トレン
チ14,14,…内には、ポリシリコン(または、シリ
コンナイトライド(SiN)膜)からなるダミー電極1
6,16,…、TiN膜からなるバリアメタル膜17,
17,…、および、タングステン(低融点金属)膜から
なるタングステンゲートとしてのトレンチゲート電極
(ゲート引き出し電極)18,18,…が埋め込まれて
いる。
トトレンチ12,12,…間に、上記n+ 型不純物領域
11dを貫通し、上記p型不純物領域11cに達する深
さで形成されている。このコンタクトトレンチ13内に
は、TiN膜からなるバリアメタル膜17、および、タ
ングステン(W)膜からなるコンタクト電極19が埋め
込まれている。また、このコンタクトトレンチ13の底
部付近には、コンタクト抵抗を低減するためのp+ 型不
純物領域(第2導電型の第5の半導体領域)20が形成
されている。
宜上、図面には1つしか示していないが、たとえば、複
数のコンタクトトレンチ13,13,…が各ゲートトレ
ンチ12,12,…で挟まれた領域内にそれぞれ形成さ
れている。
化膜15を介して、層間絶縁膜としてのUDO膜21が
形成されている。また、このUDO膜21の上面を含
む、上記ゲートトレンチ12,12,…、上記コンタク
トトレンチ13、および、上記ゲート引き出し用トレン
チ14,14,…の各上部には、さらに、層間絶縁膜と
してのUDO膜22が形成されている。
タクト電極19につながる、たとえば、アルミニウム
(Al)層からなるソース電極(第1の電極)23が形
成され、このソース電極23が、上記p+ 型不純物領域
20を介して、上記p型不純物領域11cと電気的に接
続される。
引き出し電極18,18,…につながる、たとえば、A
l層からなるゲート電極24が形成され、このゲート電
極24が、上記ゲート引き出し電極18,18,…を介
して、上記トレンチゲート電極18,18,…と電気的
に接続される。
は、ドレイン電極(第2の電極)25が形成されてい
る。
用した本U−MOSFETの場合、従来のポリシリコン
を用いるU−MOSFETに比べ、ゲート抵抗を1/5
程度に低減でき、スイッチング特性(Toff)が約30
%も向上した。
に示した構成のU−MOSFETの製造方法について説
明する。なお、図2〜図5はそれぞれ図1(c)に対応
するU-MOSFETの製造工程を示す断面図である。
シリコン基板11a上にn- 型のエピタキシャル層11
bが形成された基板を用意し、この基板に対して、図示
していないガードリングGRの形成を行った後、p型不
純物のイオン注入を行ってp型不純物領域11cを形成
する。
ivalent Potential Ring)の形成
を行った後、さらに、上記p型不純物領域11cにn型
不純物のイオン注入を行ってn+ 型不純物領域11dを
形成し、これを半導体基板11とする。
導体基板11に対して、p+ 型不純物領域20を形成す
るためのマスク(図示していない)を形成し、上記p型
不純物領域11c内にp型不純物のイオン注入を行って
アニールし、p+ 型不純物領域20を形成する。
eactive Ion Etching)法などによ
り、上記半導体基板11の主表面にゲートトレンチ1
2,12,…および図示していないゲートの引き出し用
トレンチ14,14,…を形成する。この時の、上記ゲ
ートトレンチ12,12,…および上記ゲートの引き出
し用トレンチ14,14,…の深さは、n+ 型不純物領
域11dとp型不純物領域11cとを貫通し、エピタキ
シャル層11bに達する深さとする。
…および上記ゲートの引き出し用トレンチ14,14,
…内を熱酸化して、ゲート酸化膜15,15,…を形成
した後、全面にポリシリコン層を形成する。
どによりエッチバックして、上記ゲートトレンチ12,
12,…および上記ゲートの引き出し用トレンチ14,
14,…内にのみ残存させ、ダミー電極16,16,…
を形成する。
(Chemical Vapor Depositio
n)法などにより全面にUDO膜21およびBPSG
(Boron−doped Phospho−Sili
cate Glasss)膜/PSG(Phospho
−Silicate Glasss)膜(いずれも図示
していない)を形成する。
ターのための熱処理(ゲッター処理)を行う。
O膜21上に、PEP技術を用いて、上記ゲートトレン
チ12,12,…および上記ゲートの引き出し用トレン
チ14,14,…内のダミー電極16,16,…を除去
するとともに、コンタクトトレンチ13を形成するため
のマスク31を形成する。この時、上記ゲートトレンチ
12,12,…および上記ゲートの引き出し用トレンチ
14,14,…は、トレンチ幅(ゲート酸化膜15を形
成した後の仕上がり幅)を0.8μmとした場合、i線
の合わせずれ精度(0.2μm)を考慮すると、そのP
EP設計時の開口幅は0.3μm以内となる。
スク31を用いて、RIE法などによりエッチングを行
って、UDO膜21をパターニングする。
ーニングされたUDO膜21をマスクとして用いて、R
IE法などにより、上記ゲートトレンチ12,12,…
および上記ゲートの引き出し用トレンチ14,14,…
内のダミー電極16,16,…を除去するとともに、上
記コンタクトトレンチ13を同時に形成する。この時
の、上記コンタクトトレンチ13の深さは、n+ 型不純
物領域11dを貫通し、p型不純物領域11c内のp+
型不純物領域20に達する深さである。
0.02μm/秒で、シリコンのエッチングレイトが
0.013μm/秒となっているRIE装置を用いて、
仮に、コンタクトトレンチ13が0.5μmの深さとな
るようにエッチングを行ったとすると、上記ゲートトレ
ンチ12,12,…および上記ゲートの引き出し用トレ
ンチ14,14,…は0.77μmの深さでエッチング
される。
バリアメタル膜17となるTiN膜をスパッタなどの方
法により形成する。
のバリアメタル膜17上にタングステン膜(W膜)32
を形成し、上記ゲートトレンチ12,12,…、上記コ
ンタクトトレンチ13、および、上記ゲートの引き出し
用トレンチ14,14,…内をそれぞれ同時に埋め込
む。
EP技術によるマスクの形成、裏面剥離、レジストの除
去をそれぞれ行った後、図5(a)に示すように、CM
P法およびRIE法などを用いて、上記W膜32および
上記バリアメタル膜17を全面エッチバックし、上記ト
レンチゲート電極18,18,…、上記コンタクト電極
19、および、図示していない上記ゲート引き出し電極
18,18,…をそれぞれ形成する。
後、PEP技術を用いて、上記コンタクト電極19につ
ながるコンタクト孔および上記ゲート引き出し電極18
につながるコンタクト孔を形成するためのマスクを形成
する。
スクにしたがって上記UDO膜22をラウンドCDE
(Chemical Dry Etching)法やRI
E法などによってエッチングし、上記コンタクト電極1
9につながるコンタクト孔33および上記ゲート引き出
し電極18につながるコンタクト孔(図示していない)
を形成する。
積させた後、PEP技術を用いてマスクを形成する。そ
して、そのマスクにしたがってAl膜をエッチングし
て、上記ソース電極23および上記ゲート電極24を形
成するとともに、上記基板11の裏面にAl層などを形
成してドレイン電極25を形成する。
行って、図1に示したようなU−MOSFETが完成す
る。
を形成した後には、シンター処理の450℃以上の高温
熱処理を行う工程は存在しない。そのため、タングステ
ン膜の熱によるストレスの変化やシリコン部でのタング
ステン膜の拡散を防止することが可能となる。
んだ後の熱工程を回避できるようにしている。
ン膜を埋め込む前に、ゲッター処理やアニールなどの高
温熱処理工程を実施するようにしている。これにより、
タングステン膜の膜質が変化して、膜のストレスが変化
するのを防止できるようになる。したがって、タングス
テン膜が収縮するのを防ぐことが可能となる結果、タン
グステンゲートによりゲート抵抗を低減させて、スイッ
チング特性の向上を図る場合においても、トレンチ内に
隙間が発生したり、タングステン膜が剥がれたりするの
を抑えることができるものである。
を埋め込む前に、高温熱処理工程を実施するようにした
場合にも、PEPの工程数は現行の製造プロセスと同様
の工程数であり、PEPの工程数が増加することもな
い。
ては、タングステンゲートを例に説明したが、これに限
らず、たとえば低融点金属としてはタングステン膜のほ
かにカッパー(Cu)膜やAl膜などを用いることもで
きる。
用いることも可能であり、その場合には、ウェットエッ
チングによってゲートトレンチを再形成するようにすれ
ば良い。
のシリコン基板(第2導電型の第1の半導体領域)を用
いてなるU−IGBTにも適用できる。
おいて、種々変形実施可能なことは勿論である。
ば、隙間の発生などを抑えつつ、ゲート抵抗を低減で
き、スイッチング特性の向上を図ることが可能な半導体
装置およびその製造方法を提供できる。
Tの一構成例を示す概略図。
-MOSFETの概略断面図。
-MOSFETの概略断面図。
-MOSFETの概略断面図。
-MOSFETの概略断面図。
MOSFETの構成の要部(タングステンゲート)を示
す概略断面図。
の一例を示す顕微鏡写真。
履歴を示す概略図。
Claims (14)
- 【請求項1】 第1の半導体領域と、 この第1の半導体領域の一主面に形成され、前記第1の
半導体領域よりも不純物濃度が低い第1導電型の第2の
半導体領域と、 この第2の半導体領域上に形成された第2導電型の第3
の半導体領域と、 この第3の半導体領域の表面領域に形成され、前記第2
の半導体領域よりも不純物濃度が高い第1導電型の第4
の半導体領域と、 前記第4および第3の半導体領域を貫通し、前記第2の
半導体領域に達する深さを有して形成された複数のトレ
ンチゲート用溝部と、 それぞれの、前記トレンチゲート用溝部の内面に沿って
形成されたゲート絶縁膜と、 このゲート絶縁膜を介して、前記トレンチゲート用溝部
内に低融点金属を埋め込んでなるゲート電極とを具備し
てなることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項2】 前記第1の半導体領域は、第1導電型の
半導体領域からなることを特徴とする請求項1に記載の
半導体装置。 - 【請求項3】 前記第1の半導体領域は、第2導電型の
半導体領域からなることを特徴とする請求項1に記載の
半導体装置。 - 【請求項4】 前記ゲート電極間に対応する、前記第4
の半導体領域を貫通し、前記第3の半導体領域に達する
深さを有して形成されたトレンチコンタクト用溝部と、 このトレンチコンタクト用溝部内に埋め込まれたコンタ
クト電極とをさらに具備してなることを特徴とする請求
項1に記載の半導体装置。 - 【請求項5】 前記ゲート絶縁膜と前記ゲート電極との
間には、少なくともダミー電極材料が設けられてなるこ
とを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - 【請求項6】 前記低融点金属には、タングステン膜、
アルミニウム膜、カッパー膜のいずれかが用いられるこ
とを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - 【請求項7】 前記ダミー電極材料としては、ポリシリ
コンまたはSiN膜が用いられることを特徴とする請求
項5に記載の半導体装置。 - 【請求項8】 トレンチ内に、ゲート絶縁膜を介してダ
ミー電極材料を埋め込む工程と、 高温熱処理を行った後に、前記トレンチ内に埋め込まれ
た前記ダミー電極材料を除去する工程と、 前記ダミー電極材料が除去された前記トレンチ内に低融
点金属を埋め込んで、ゲート電極を形成する工程とを備
えてなることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項9】 第1の半導体領域の一主面に、前記第1
の半導体領域よりも不純物濃度が低い第1導電型の第2
の半導体領域が形成され、この第2の半導体領域上に第
2導電型の第3の半導体領域が形成され、この第3の半
導体領域の表面領域に、前記第2の半導体領域よりも不
純物濃度が高い第1導電型の第4の半導体領域が形成さ
れてなる基板に対し、 前記第4および第3の半導体領域を貫通し、前記第2の
半導体領域に達する深さを有して複数のトレンチゲート
用溝部を形成する工程と、 それぞれの、前記トレンチゲート用溝部の内面に沿って
形成されたゲート絶縁膜を介して、前記トレンチゲート
用溝部内にダミー電極材料を埋め込む工程と、前記基板
に対し、高温熱処理を施す工程と、 前記トレンチゲート用溝部内に埋め込まれた前記ダミー
電極材料を除去する工程と、 前記ダミー電極材料が除去された前記トレンチゲート用
溝部内に、低融点金属を埋め込んでゲート電極を形成す
る工程とを備えてなることを特徴とする半導体装置の製
造方法。 - 【請求項10】 前記トレンチゲート用溝部を形成する
工程の前に、前記第3の半導体領域内に、前記第3の半
導体領域よりも不純物濃度が高い第2導電型の第5の半
導体領域を形成する工程と、 前記第4の半導体領域を貫通し、前記第3の半導体領域
内の、前記第5の半導体領域に達する深さを有してトレ
ンチコンタクト用溝部を形成する工程と、 このトレンチコンタクト用溝部内に前記低融点金属を埋
め込んでコンタクト電極を形成する工程とをさらに具備
してなることを特徴とする請求項9に記載の半導体装置
の製造方法。 - 【請求項11】 前記トレンチコンタクト用溝部を形成
する工程は、前記ゲート電極間に対し、前記トレンチゲ
ート用溝部内に埋め込まれた前記ダミー電極材料を除去
する工程と同時に行われることを特徴とする請求項10
に記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項12】 前記トレンチコンタクト用溝部内およ
び前記トレンチゲート用溝部内に前記低融点金属を埋め
込む前に、バリアメタル膜を形成する工程をさらに備
え、 前記低融点金属の埋め込みは、前記トレンチコンタクト
用溝部内および前記トレンチゲート用溝部内に対して同
時に行われることを特徴とする請求項10に記載の半導
体装置の製造方法。 - 【請求項13】 前記低融点金属には、タングステン
膜、アルミニウム膜、カッパー膜のいずれかが用いられ
ることを特徴とする請求項8または9に記載の半導体装
置の製造方法。 - 【請求項14】 前記ダミー電極材料としては、ポリシ
リコンまたはSiN膜が用いられることを特徴とする請
求項8または9のいずれかに記載の半導体装置の製造方
法。
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