JP2003282870A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ゲート絶縁耐圧の向上を図ることができる半導
体装置およびその製造方法を提供する。 【解決手段】ｎシリコン基板１０１にストライプ状のト
レンチ１２３を形成する。このトレンチ１２３の両端部
は、徐々に狭くなる形状となっている。トレンチ１２３
を挟んでｐウエル領域１２１を形成し、ｐウエル領域１
２１の表面層にトレンチ１２３を挟んでｎソース領域１
２２を形成し、トレンチ１２３の側壁および底面に厚み
がＷ１のゲート酸化膜１１８ａを形成し、トレンチ１２
３の端部が徐々に狭くなっている箇所の先端付近に厚い
膜厚（Ｗ２）のゲート酸化膜１１８ｂを形成する。トレ
ンチ１２３にゲート酸化膜１１８ａ、１１８ｂを介して
ポリシリコンを充填してゲート電極１１９ａを形成し、
またトレンチ１２３の長手方向の端部側に、ゲート酸化
膜１１８ｂおよび絶縁用酸化膜１１８ｃを介してポリシ
リコンでゲート配線引出し部であるゲートパッド１１９
ｂを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、トレンチゲート
構造を有する半導体装置およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】トレンチゲートを用いる素子において
は、トレンチ内に形成されるゲート電極と、このゲート
電極と接続するゲート配線引出し部（ゲートパッドのこ
と）との境界部であるトレンチ開口周縁部では、トレン
チ内に埋め込まれるドープド・ポリシリコン（不純物を
ドープしたポリシリコンで抵抗値が極めて低いポリシリ
コンのこと）とトレンチから引き出されるゲート配線引
出し部であるゲートパッドは同時に製作されるために、
ゲートパッドのドープド・ポリシリコン直下の酸化膜は
トレンチ内に形成されるゲート酸化膜の膜厚と等しくな
る。

【０００３】図７および図８は、従来の半導体装置で、
図７は要部平面図、図８（ａ）は図７のＦ−Ｆ線で切断
した要部断面図、図８（ｂ）は図７のＧ−Ｇ線で切断し
た要部断面図である。図７および図８において、ｎシリ
コン基板２０１にストライプ状のトレンチ２２３を形成
し、トレンチ２２３を挟んでｐウエル領域２２１を形成
し、ｐウエル領域２２１の表面層にトレンチ２２３を挟
んでｎ⁺ ソース領域２２２を形成し、トレンチ２２３の
側壁および底面にゲート酸化膜２０６を形成し、ｎシリ
コン基板２０１上にも、同時にゲート酸化膜２０６が形
成され、このゲート酸化膜２０６は絶縁用酸化膜とな
る。トレンチ２２３にゲート酸化膜２０６を介してポリ
シリコンを充填し、ゲート電極２０７ａを形成し、また
トレンチ２２３の長手方向の端部側のゲート酸化膜２０
６を介してポリシリコンでゲート配線引出し部であるゲ
ートパッド２０７ｂを形成する。

【０００４】尚、以下の説明では、トレンチ開口周縁部
を、図８（ａ）のｎ⁺ ソース領域２２２がある箇所（詳
しくは、ｎ⁺ ソース領域２２２の長手方向端部とゲート
パッド２０７ｂ端部の間の中間点）のトレンチ開口周縁
部（以下、第１周縁部２３１と称す）と、同図（ｂ）の
ゲートパッド２０７ｂと隣接する箇所のトレンチ開口周
縁部（以下、第２周縁部２３２と称す）に分け、単にト
レンチ開口周縁部という場合は両者を合わせたものを指
すことととする。また、図６の２２４はゲート配線用の
コンタクトホールである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ゲート酸化膜を介し
て、ゲート容量による電流（Ｃ・ｄＶ／ｄｔ）が第２周
縁部２３２上のポリシリコンを通してゲートパッド２０
７ｂに流れ、この第２周縁部２３２のコーナー部２１１
のゲート酸化膜２０６ｂ付近での電位分布がこの電流で
乱される。また、形状的要因で、ゲート電圧印加時に
は、トレンチの先端箇所のコーナー部２１１、２１２の
ゲート酸化膜２０６付近では電界集中を起こしやすくな
る（正のゲート電圧では２１１、負のゲート電圧では２
１２で電界集中が起きやすい）。その結果、この箇所
で、ゲート耐圧破壊が起こる。図９は、従来の半導体装
置のゲート絶縁耐圧分布を示す図である。電界集中の割
合は２１１、２１２の曲率半径に強く依存するため、ゲ
ート絶縁耐圧分布もブロードになる。

【０００６】この発明の目的は、前記の課題を解決し
て、ゲート絶縁耐圧の向上を図ることができる半導体装
置およびその製造方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、半導体基板に形成された細長のトレンチと、該ト
レンチ内面に形成されたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁
膜上に形成され、前記トレンチ内に充填されたゲート電
極とを具備する半導体装置において、前記トレンチの平
面形状は、同一の幅を有する第１箇所と、端部が徐々に
狭くなっている第２箇所から構成され、前記ゲート絶縁
膜の内、第１箇所に形成される第１ゲート絶縁膜の厚み
より第２箇所に形成される第２ゲート絶縁膜の厚さを厚
くする構成とする。

【０００８】また、前記ゲート電極に接続され前記半導
体基板の平坦部上に形成されたゲート配線出し部を有
し、該ゲート配線出し部が、前記第２箇所のゲート電極
と接続するとよい。また、半導体基板に形成された細長
のトレンチと、該トレンチ内面に形成されたゲート絶縁
膜と、該ゲート絶縁膜上に形成され、前記トレンチ内に
充填されたゲート電極と、該ゲート電極に接続され半導
体基板の平坦部上に形成されたゲート配線引出し部とを
具備する半導体装置において、前記トレンチの先端箇所
を除く箇所で、ゲート配線引出し部が、ゲート電極と接
続する構成とする。

【０００９】また、前記ゲート電極および前記ゲート配
線引出し部が、ポリシリコンで形成されるとよい。ま
た、半導体基板に形成された細長のトレンチと、トレン
チ内面に形成されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に
形成され、トレンチを充填したゲート電極と、該ゲート
電極に接続され半導体基板の平坦部上に形成されたゲー
ト配線引出し部とを具備する半導体装置の製造方法にお
いて、半導体基板に、平面形状が一定幅の第１箇所と、
端部が徐々に狭くなる第２箇所から成るトレンチを形成
する工程と、前記トレンチ内に厚い絶縁膜を形成し、第
２箇所の先端近傍のトレンチを該厚い絶縁膜で充填する
工程と、前記第２箇所の先端近傍のトレンチに充填され
た厚い絶縁膜を残し、前記第１箇所の側壁に形成された
前記厚い絶縁膜を除去する工程と、前記トレンチの側壁
にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜を
介して、トレンチにポリシリコンを充填しゲート電極を
形成する工程とを含む製造方法とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１および図２は、この発明の第
１実施例の半導体装置で、図１（ａ）は要部平面図、図
１（ｂ）は図１（ａ）のイ部の拡大図、図２（ａ）は図
１（ｂ）のＡ−Ａ線で切断した要部断面図、図２（ｂ）
は図１（ｂ）のＢ−Ｂ線で切断した要部断面図、図２
（ｃ）は図１（ｂ）のＣ−Ｃ線で切断した要部断面図で
ある。

【００１１】図１および図２において、ｎシリコン基板
１０１にストライプ状のトレンチ１２３を形成する。こ
のトレンチ１２３の両端部は、徐々に狭くなる形状とな
っている（一定幅の箇所が第１箇所で、徐々に狭くなっ
ている箇所が第２箇所である）。トレンチ１２３を挟ん
でｐウエル領域１２１を形成し、ｐウエル領域１２１の
表面層にトレンチ１２３を挟んでｎソース領域１２２を
形成し、トレンチ１２３の側壁および底面に厚みがＷ１
のゲート酸化膜１１８ａを形成し、トレンチ１２３の第
２箇所の先端付近に厚い膜厚（Ｗ２）のゲート酸化膜１
１８ｂを形成する。ｎシリコン基板１０１上に絶縁用酸
化膜１１８ｃ（これは、ゲート酸化膜１１８ａと同時に
形成する）を形成する。トレンチ１２３にゲート酸化膜
１１８ａ、１１８ｂを介してポリシリコンを充填してゲ
ート電極１１９ａを形成し、またトレンチ１２３の長手
方向の端部側に、ゲート酸化膜１１８ｂおよび絶縁用酸
化膜１１８ｃを介してポリシリコンでゲート配線引出し
部であるゲートパッド１１９ｂを形成する。

【００１２】図２（ａ）のチャネル形成領域上のゲート
酸化膜１１８ａの膜厚を薄く形成し、図２（ｃ）のゲー
トパッドと隣接するトレンチ１２３の第２箇所の先端付
近のゲート酸化膜１１８ｂの膜厚は厚く形成する。図中
の１２４はポリシリコンのゲートパッド１１９ｂが図示
しない金属配線と接続させるための図示しないゲートパ
ッド上に形成する絶縁膜に形成されるコンタクトホール
である。また、１３１は第１周縁部で、ａ−ａ点線間の
トレンチ１２３の長手方向のトレンチ開口周縁部を示
し、１３２は第２周縁部で、ａ−ａ点線より外側（Ｙ方
向）のトレンチ１２３の端部先端付近のトレンチ開口周
縁部を示す。

【００１３】ゲートパッド１１９ｂにプラス、ｎ⁺ ソー
ス領域１２２にマイナスの極性で、ゲート電圧を印加し
たとき、ゲート容量を介して電流がゲートパッド１１９
ｂからゲート電極１１９ａへ流れる。しかし、ゲート酸
化膜１１８ｂが厚いために、この電流がコーナー部１１
１ａでの電位分布へ与える影響は小さく、コーナー部１
１１ａでの電界集中は小さい。そのため、ゲート破壊耐
圧を向上させることができる。また、ゲート酸化膜１１
８ｂの膜厚が厚いために、この箇所でのチャネル形成電
圧であるゲートしきい値電圧を高くすることができる。
そのため、この箇所でのゲートの機能を封じることがで
きて、この箇所に主電流が流れないようにできる。この
ことで、半導体装置のゲート破壊耐圧が一層向上する。
また、同様に、ゲートパッド１１９ｂにマイナス、ｎ⁺
ソース領域１２２にプラスの極性で、ゲート電圧を印加
したときにも、コーナー部１１１ｂのゲート酸化膜１１
８ｂが厚いために、この箇所での電界集中は小さい。

【００１４】また、図２（ａ）のコーナー部１１２ａ、
１１２ｂのゲート酸化膜１１８ａは薄いが、その上にゲ
ートパッド１１９ｂへ接続するポリシリコンがない（図
１（ｂ））ために、コーナー部１１２ａ、１１２ｂでの
電界集中は小さい。尚、図１および図２に示した半導体
装置は完成品ではなく途中工程の一例であり、また、こ
の図の他には、ｐウエル領域１２１がトレンチ１２３よ
り深いものや、トレンチ１２３を挟むｎ⁺ ソース領域１
２２が互いに繋がっているものなど、多種多様のものが
ある。また、図１（ｂ）のＡ−Ａ線で切断した箇所にｎ
⁺ ソース領域１２２やｐウエル領域１２１が無い場合も
ある。

【００１５】図３は、図１の半導体装置のゲート絶縁耐
圧の分布を示した図である。厚いゲート酸化膜１１８ｂ
を形成したことで、ゲート絶縁耐圧の最小値は高くな
り、分布もシャープになっている。図４は、この発明の
第２実施例の半導体装置の製造方法で、同図（ａ）から
同図（ｄ）はトレンチにゲート酸化膜とゲート電極を形
成する工程を工程順に示した要部平面図である。この図
は図１（ｂ）に相当した図である。図示しないｐウェル
領域１２１やｎ⁺ ソース領域１２１を形成した半導体基
板１０１に端部が徐々に狭くなったストライプ状のトレ
ンチ１２３を形成する。トレンチ１２３の一定幅の箇所
は１μｍ程度である（同図（ａ））。つぎに、ＣＶＤ
（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏ
ｎ）法で、例えば、４００ｎｍの厚い酸化膜１１８ｃを
トレンチ１２３内に形成する。先端近傍は、トレンチ１
２３の側壁に形成された酸化膜同士が接触して、この先
端付近は酸化膜１１８ｃで埋め尽くされる（充填され
る）（同図（ｂ））。つぎに、一定幅のトレンチ１２３
の側壁が露出するまで、酸化膜１２３を除去する。この
とき、トレンチ１２３の先端近傍には酸化膜１２３が残
留する（同図（ｃ））。つぎに、例えば、１００ｎｍの
薄い膜厚のゲート酸化膜１１８ａをトレンチ１２３の側
壁と底面に形成する。先端付近は、先に形成した酸化膜
１１８ｃと今回形成したゲート酸化膜１１８ａを合わせ
たものが厚いゲート酸化膜１１８ｂとなる。その後で、
トレンチ１１３にゲート酸化膜１１８ａ、１１８ｂを介
して、蒸着でポリシリコンを充填し、ゲート電極１１９
ａを形成する（同図（ｄ））。

【００１６】図５は、この発明の第３実施例の半導体装
置であり、同図（ａ）は要部平面図、同図（ｂ）は同図
（ａ）のロ部の拡大図である。図１との違いは、トレン
チ１１９ａが長方形をしている点と、このトレンチ１１
９ａの端部がゲートパッド１１９ｂに接していない点で
ある。トレンチ１１９ａの端部が、ゲートパッド１１９
ｂと接していないために、この端部でのゲート容量によ
る電流の流れがなくなり、従って電界集中が起こらず、
ゲート絶縁耐量が向上する。

【００１７】図６は、この発明の第４実施例の半導体装
置の要部平面図である。この図は、図１（ｂ）に相当す
る図で、図１との違いは、図５と同様に、トレンチ１１
９ａの端部がゲートパッド１１９ｂと接していない点で
ある。図５と同様の効果が期待できる。

【００１８】

【発明の効果】この発明によれば、トレンチ端部を徐々
に狭めたストライプ状として、端部の先端近傍のゲート
絶縁膜の厚さを厚くすることで、形状に起因した電界集
中によるゲート絶縁破壊を防止し、ゲート絶縁耐圧の向
上と、ゲート絶縁耐圧のばらつきの低減を図ることがで
きる。

【００１９】また、トレンチ端部にゲートパットを接触
させないことで、形状に起因した電界集中によるゲート
絶縁破壊を防止し、ゲート絶縁耐圧の向上と、ゲート絶
縁耐圧のばらつきの低減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例の半導体装置で、（ａ）
は要部平面図、（ｂ）は（ａ）のイ部の拡大図

【図２】この発明の第１実施例の半導体装置で、（ａ）
は図１（ｂ）のＡ−Ａ線で切断した要部断面図、（ｂ）
は図１（ｂ）のＢ−Ｂ線で切断した要部断面図、（ｃ）
は図１（ｂ）のＣ−Ｃ線で切断した要部断面図

【図３】図１の半導体装置のゲート絶縁耐圧の分布を示
した図

【図４】この発明の第２実施例の半導体装置の製造方法
で、（ａ）から（ｄ）はトレンチにゲート酸化膜とゲー
ト電極を形成する工程を工程順に示した要部平面図

【図５】この発明の第３実施例の半導体装置であり、
（ａ）は要部平面図、（ｂ）は（ａ）のロ部の拡大図

【図６】この発明の第４実施例の半導体装置の要部平面
図

【図７】従来の半導体装置の要部平面図

【図８】従来の半導体装置の要部平面図で、（ａ）は図
７のＦ−Ｆ線で切断した要部断面図、（ｂ）は図７のＧ
−Ｇ線で切断した要部断面図

【図９】従来の半導体装置のゲート絶縁耐圧分布を示す
図

【符号の説明】

１０１ ｎシリコン基板 １０２ 第１熱酸化膜 １０３ 第１フォトレジスト １０４ 第２熱酸化膜（犠牲酸化膜） １１１ａ、１１１ｂ、１１２ａ、１１２ｂ コーナー部 １１８ａ、１１８ｂ ゲート酸化膜 １１８ｃ 酸化膜 １１９ａ ゲート電極 １１９ｂ ゲートパッド １２１ ｐウエル領域 １２２ ｎ⁺ ソース領域 １２３ トレンチ １２４ コンタクトホール １３１ 第１周縁部 １３２ 第２周縁部 Ｗ１ 薄いゲート酸化膜の厚さ Ｗ２ 厚いゲート酸化膜の厚さ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板に形成された細長のトレンチ
   と、該トレンチ内面に形成されたゲート絶縁膜と、該ゲ
   ート絶縁膜上に形成され、前記トレンチ内に充填された
   ゲート電極とを具備する半導体装置において、 前記トレンチの平面形状は、同一の幅を有する第１箇所
   と、端部が徐々に狭くなっている第２箇所から構成さ
   れ、前記ゲート絶縁膜の内、第１箇所に形成される第１
   ゲート絶縁膜の厚みより第２箇所に形成される第２ゲー
   ト絶縁膜の厚さを厚くすることを特徴とする半導体装
   置。
2. 【請求項２】前記ゲート電極に接続され前記半導体基板
   の平坦部上に形成されたゲート配線出し部を有し、該ゲ
   ート配線出し部が、前記第２箇所のゲート電極と接続す
   ることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 【請求項３】半導体基板に形成された細長のトレンチ
   と、該トレンチ内面に形成されたゲート絶縁膜と、該ゲ
   ート絶縁膜上に形成され、前記トレンチ内に充填された
   ゲート電極と、該ゲート電極に接続され半導体基板の平
   坦部上に形成されたゲート配線引出し部とを具備する半
   導体装置において、 前記トレンチの先端箇所を除く箇所で、ゲート配線引出
   し部が、ゲート電極と接続することを特徴とする半導体
   装置。
4. 【請求項４】前記ゲート電極および前記ゲート配線引出
   し部が、ポリシリコンで形成されることを特徴とする請
   求項１ないし３のいずれかに記載の半導体装置。
5. 【請求項５】半導体基板に形成された細長のトレンチ
   と、トレンチ内面に形成されたゲート絶縁膜と、ゲート
   絶縁膜上に形成され、トレンチを充填したゲート電極
   と、該ゲート電極に接続され半導体基板の平坦部上に形
   成されたゲート配線引出し部とを具備する半導体装置の
   製造方法において、 半導体基板に、平面形状が一定幅の第１箇所と、端部が
   徐々に狭くなる第２箇所から成るトレンチを形成する工
   程と、 前記トレンチ内に厚い絶縁膜を形成し、第２箇所の先端
   近傍のトレンチを該厚い絶縁膜で充填する工程と、 前記第２箇所の先端近傍のトレンチに充填された厚い絶
   縁膜を残し、前記第１箇所の側壁に形成された前記厚い
   絶縁膜を除去する工程と、 前記トレンチの側壁にゲート絶縁膜を形成する工程と、 前記ゲート絶縁膜を介して、トレンチにポリシリコンを
   充填しゲート電極を形成する工程とを含むことを特徴と
   する半導体装置の製造方法。