JP2004031963A - イオン注入によるトレンチ内の自己整合された差別的酸化 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明によると、半導体基板内にトレンチを設けることによって、トレンチMOSFETが形成される。トレンチの側壁又は該トレンチの底部のいずれかの一部に注入種が注入される。次に、絶縁層がトレンチの底部及び側壁に重なる状態で成長される。絶縁層がトレンチの側壁よりも速く該トレンチの底部上に成長するように、注入種が選択され、該トレンチの側壁よりも厚い絶縁層が該トレンチの底部にもたらされる。
【選択図】 図5A
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン注入によるトレンチ内の自己整合された差別的酸化方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
幾つかの金属−絶縁体−半導体(MIS)デバイスは、半導体基板(例えば、ケイ素)の表面から下方に延びるトレンチ内に配置されたゲートを含む。このようなデバイスの電流の流れは、主に垂直方向であるので、セルは、横方向の電流の流れを有するデバイスより緊密にパックすることができる。その他の全てが等しいときには、このことにより、電流容量が増加し、デバイスのオン抵抗が低減する。MISデバイスの一般的カテゴリーに含まれるデバイスには、酸化金属半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)、絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ(IGBT)及びMOSゲート型サイリスタが含まれる。
例えば、トレンチMOSFETを、最適な線形信号の増幅及びスイッチングのために重要な、高い相互コンダクタンス(gm、max)及び低いオン抵抗(Ron)を有するように製造することができる。しかしながら、高周波数作動のために最も重要な問題の一つは、MOSFETの内部容量の減少である。内部容量には、帰還容量(Crss)とも呼ばれるゲート・ドレイン間容量(Cgd)、入力容量(Ciss)、及び出力容量(Coss)が含まれる。
【0003】
図1は、従来のn型トレンチMOSFET10の断面図である。MOSFET10においては、通常はN+基板(図示せず)上に成長されるn型エピタキシアル(「N−エピ」)層がドレインである。N−エピ層13を、低濃度でドープされた層、すなわちN層とすることができる。p型ボディ領域12は、N−エピ層13をN+ソース領域11から分離する。電流は、トレンチ19の側壁に沿ったチャネル(破線により示される)を通って垂直方向に流れる。トレンチ19の側壁及び底部は、薄いゲート絶縁体15(例えば、二酸化ケイ素)でライニングされる。トレンチ19は、ドープされたポリシリコンのような導電性材料で満たされ、ゲート14を形成する。内部にゲート14を含むトレンチ19は、ボロン・リン・ケイ酸塩ガラス(BPSG)とすることができる絶縁層16で覆われている。ソース領域11及びボディ領域12は、典型的には金属又は金属合金である導体17により電気的に接触している。ゲート14は、図1の面の外側の第3の面に接触している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
MOSFET10の重大な欠点は、ゲート14とN−エピ層13との間に大きな重なり領域18が形成され、この重なり領域が薄いゲート絶縁体15の一部にドレイン動作電圧を作用させることである。この大きな重なり領域は、MOSFET10のドレイン電圧定格を制限し、長期においては薄いゲート絶縁体15に信頼性の問題を生じさせ、ゲート・ドレイン間容量、すなわちMOSFET10のCgdを大きく増加させる。トレンチ構造において、Cgdは従来の横方向型デバイスより大きく、MOSFET10のスイッチング速度を制限し、よって高周波数の用途におけるMOSFETの使用を制限することになる。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、半導体基板内にトレンチを設けることによって、トレンチMOSFETが形成される。トレンチの側壁又は該トレンチの底部のいずれかの一部、或いは該側壁及び該底部の両方に注入種が注入される。次に、絶縁層がトレンチの底部及び側壁に重なる状態で成長される。絶縁層がトレンチの側壁よりも速く該トレンチの底部上に成長するように、注入種が選択され、該トレンチの側壁よりも厚い絶縁層が該トレンチの底部にもたらされる。幾つかの実施形態において、第1の注入種がトレンチの底部に注入され、第2の注入種がトレンチの側壁に注入される。第1の注入種は、絶縁層の成長速度を増加させるように選択され、第2の注入種は、絶縁層の成長速度を減少させるように選択される。幾つかの実施形態において、第1の注入種は、アルゴン、ネオン、ヒ素、又は不活性気体である。幾つかの実施形態において、第2の注入種は窒素である。
(関連出願の相互参照)
なお、本出願は、2001年8月10日に出願された「活性トレンチ・コーナー部及び厚い底部の酸化膜を有するトレンチ型MISデバイスとその製造方法」という名称の米国特許出願番号第09/927,143号に関連し、引用によりここに組み入れる。
【0006】
【発明の実施の形態】
図2は、本発明によるトレンチMOSFET20の一つの実施形態の断面図である。MOSFET20においては、N−層とすることができ、通常はN+層(図示せず)上に成長されるn型エピタキシアル層13が、MOSFETのドレインを形成する。p型ボディ領域12は、N−エピ層13をN+ソース領域11から分離する。ボディ領域12は、トレンチ19の側壁に沿って拡散される。ポリシリコンのゲート14が、トレンチ19内に形成される。トレンチ19の側壁は、薄いゲート絶縁体15(例えば、二酸化ケイ素)でライニングされる。MOSFET20において、厚い絶縁層21(例えば、二酸化ケイ素)が、トレンチ19の底部をライニングする。厚い絶縁層21は、ゲート14をN−エピ層13(ドレイン)から分離する。厚い絶縁層21は、図1のトレンチ19の底部にライニングされた薄い絶縁層15で達成できるものより効果的な絶縁体を提供する。したがって、厚い絶縁層21は、ゲート・ドレイン間容量を最小にし、高周波数の用途に有用なトレンチMOSFET20を生成する。
【0007】
図3Aから図3Dまでは、図2に示されるトレンチMOSFETを製造する工程の一つの実施形態を示す断面図である。低濃度でドープされたN−エピ層(典型的には、約8μmの厚さ)が、高濃度でドープされたN+基板上に成長される。フォトレジスト又は酸化物とすることもできるトレンチ・マスクが、N−エピ層上に付着されパターン形成され、トレンチが配置されることになる開口部を形成する。トレンチは、一般に反応性イオンエッチングのような乾式プラズマ・エッチングを用いて、トレンチ・マスクの開口部を通してエッチングされる。エッチングされた後、トレンチ・マスクを取り除き、図3Aに示される構造体を残す。N−エピ層13内に形成されたトレンチ19は、約0.5μmから1.2μmまでの幅、及び約1μmから2μmまでの深さとすることができる。
【0008】
トレンチ19が形成された後、トレンチ19の側壁又は該トレンチ19の底部のいずれか、或いは両方に注入種が注入され、後の酸化物の形成速度に影響を与える。図3Bの破線の矢印31で示されるように、ゼロ度のアルゴン、ネオン、又は他の不活性気体の注入によって、トレンチの底部に注入することができる。トレンチ19の底部に注入される種は、該トレンチ19の底部における酸化物の成長速度を増加させるように選択される。幾つかの実施形態において、他の製造段階が注入装置を調整するためにアルゴン・ビームを必要とする場合にはアルゴンが用いられ、よってアルゴンを用いることにより、注入を行うために付加的な器具を必要としなくなる。幾つかの実施形態においては、ヒ素のようなドープ剤が用いられる。
【0009】
トレンチ19の底部におけるアルゴンの存在により、後の酸化段階の間に酸化物の成長速度が増加する。下の表は、アルゴンのイオン注入によってもたらされた酸化物の成長速度の増加を示す。
【0010】
上の表に示されるように、酸化物は、アルゴンが注入されなかったケイ素の表面より速い速度でアルゴンが注入されたケイ素の表面上に成長する。したがって、アルゴン注入領域の寸法及び注入されたアルゴンの濃度を制御することによって、トレンチ19の底部の酸化物の形状及び厚さを制御することができる。
【0011】
図3Cは、大きな角度処理能力を有する注入装置を用いて、窒素が高角度でトレンチ19の側壁内に注入された本発明の別の実施形態を示す。窒素の注入は、酸化速度を減少させる。酸化物は、窒素が注入されなかったケイ素の表面より遅い速度で窒素が注入されたケイ素の表面上に成長し、窒素が注入された表面に薄い酸化物がもたらされる。
図3Dは、トレンチ19の底部及び側壁の両方に異なる種が注入された本発明の別の実施形態を示す。破線の矢印31で示されるように、アルゴンが、トレンチ19の底部と該トレンチ19の側壁の底部に注入される。実線の矢印32で示されるように、窒素が、トレンチ19の側壁の上部に注入される。アルゴン注入領域において酸化速度が増加し、窒素注入領域において酸化速度が減少することによって、この2つの注入の組合せが、酸化物の厚さの差をさらに増加させる。次に、酸化物層は、1,050℃において乾式酸化のような従来の熱工程を用いて成長される。
【0012】
ここで図2に戻ると、その場でドープされるポリシリコン又は続いて注入されアニールされたドープされていないポリシリコンのような、導電性物質を付着することができる。典型的には反応性イオンエッチングを用いて、導電性材料をエッチングし、ゲート14の上部がほぼ半導体層の上部のレベルになるようにゲート14を形成する。n型MOSFETにおいて、ゲート14を、例えば、1020cm−3のドープ剤濃度を有するポリシリコン層とすることができる。周知の注入し及び拡散工程を用いて、p型ボディ領域12及びN+ソース領域11をN−エピ層13内に形成する。p型ボディ領域12とN−エピ層13の残りの部分との間のPN接合は、通常、厚い絶縁層21と薄いゲート絶縁体15との間の界接面に優る深さで配置される。
【0013】
例えば、BPSGとすることができる絶縁層16は、CVDによってデバイスの表面上に付着される。典型的にはドライ・エッチングを用いて絶縁層16をエッチングし、p型ボディ領域12とN+ソース領域11の一部を露出させる。通常、例えば、物理的気相成長法、めっき、スパッタリング、又は蒸着によって付着された金属又は金属合金である導体17によって、ボディ領域12及びN+ソース領域11は電気的に接触している。ドレイン(図示せず)は、N−エピ層13が成長されるN+基板の反対側の面に電気的に接触している。
【0014】
トレンチの底部における不活性気体の注入が酸化速度を増加させ、該トレンチの側壁への窒素の注入が酸化速度を減少させるので、上述の方法は、自己整合性があり、層21の形状及び厚さを制御するのにエッチングを用いることを回避する。従って、上述の方法は、トレンチ19の底部の厚い絶縁層21を組み込むことを可能にし、熱的成長又は他の付着形成技術のような他の方法によってもたらされ得る望ましくない効果又は製造の問題を最小にするようにCgdを最小にする。例えば、上述の方法は、その両方が厚い層21の熱膨張によって引き起こされ得る、トレンチ19の凹状の底部における応力効果、及び薄い層15を有する厚い層21の接合部において絶縁層を薄くすることを回避する。また、上述の方法は、厚い層21の形状及び厚さを定めるためのエッチングによって引き起こされる、絶縁層21の厚さ及び形状の制御に伴う問題を排除するものである。このような制御の問題は、厚い層21がPECVDによって付着され、次にエッチングされて該厚い層21の所望の形状及び厚さを得るときに生じ得る。
【0015】
図4は、本発明によるトレンチMOSFET40の別の実施形態の断面図である。MOSFET40は、「活性コーナー部」構成を有する。電流は、側壁に沿ってトレンチ19のコーナー領域45の周りにチャネル(破線によって示される)を通って垂直方向に流れる。厚い絶縁層44が、トレンチ19の底部に配置される。MOSFET40は、トレンチ19の底部にある任意の高導電性領域41を含み、電流をより効率的に広げるのを助けることができる。絶縁層44が形成される前にトレンチ19の底部を通してヒ素又はリンのようなn型ドープ剤を注入することによって、高導電性領域41をN−エピ層43内に形成することができる。
【0016】
図4のトレンチ型MOSFET40は、厚い層44を用いてゲート14をN−エピ層43から分離し、これによりゲート・ドレイン間容量Cgdが減少される。ボディ領域12の拡散をコーナー領域45を通して非常に良く制御することができるので、該コーナー領域45の周りにトレンチの底部まで延びるチャネルを有することにより、薄いゲート酸化物領域においてゲート・ドレイン間の著しい重複が妨げられる。横方向の拡散が垂直方向の拡散より6倍から10倍遅いので、ボディ領域12とN−エピ層43との間のPN接合を、薄いゲート絶縁体15と厚い絶縁層44との間の遷移と一致させることができる。従って、厚い層44及び活性コーナー領域45は、オン抵抗Ronに対する影響を最小にするようにゲート・ドレイン間容量Cgdを最小にし、高周波数の用途に有用なトレンチMOSFET40を生み出す。
【0017】
図5A及び図5Bは、製造中の様々な段階における図4に示されるようなMOSFETを示す。トレンチが形成された後、破線の矢印31で示されるアルゴンのような不活性気体をトレンチ19の底部に注入し、酸化物の成長速度を増加させることができる。矢印32で示される窒素をトレンチ19の側壁に注入し、酸化物の成長速度を減少させることができる。次に、酸化物層が、図5Aに示される構造体の上に成長され、図5Bに示される構造体がもたらされる。図5Aに示される注入手法は、図5Aにおける狭い領域に不活性気体が注入され、このため薄い酸化物の壁が形成され、トレンチ19の側壁に沿ってさらに延びるという点で、図3Dに示される注入手法と異なる。酸化物の成長後、MOSFETの残りの部分を上述のように製造することができる。不活性気体の注入及び窒素の注入の両方が図5Aに示されるが、不活性気体の注入及び窒素の注入のいずれかだけを用いて、図5Bに示される構造体をもたらすこともできる。
【0018】
上述の実施形態は、例示のためであり、本発明の広い原理を制限するものではないことが意図される。当業者には、多くの付加的な実施形態が明らかであろう。例えば、本発明の構造及び方法を、ゲート・ドレイン間の重なり領域を最小限にしながら、トレンチ・ゲートとトレンチの外側の領域との間の絶縁層を形成するのに望ましい如何なる種類の金属−絶縁体−半導体(MIS)と共に用いることができる。また、種々の絶縁性又は導電性材料を適切な場所に用いることもでき、本発明をp型MOSFETに適用することもできる。本発明は、上記の特許請求の範囲によってのみ制限される。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のトレンチMOSFETの断面図である。
【図2】本発明によるトレンチMOSFETの一つの実施形態の断面図である。
【図3A】製造における様々な段階のトレンチMOSFETの実施形態の断面図である。
【図3B】製造における様々な段階のトレンチMOSFETの実施形態の断面図である。
【図3C】製造における様々な段階のトレンチMOSFETの実施形態の断面図である。
【図3D】製造における様々な段階のトレンチMOSFETの実施形態の断面図である。
【図4】本発明によるトレンチMOSFETの別の実施形態の断面図である。
【図5A】製造における様々な段階のトレンチMOSFETの実施形態の断面図である。
【図5B】製造における様々な段階のトレンチMOSFETの実施形態の断面図である。
【符号の説明】
10、20、40 MOSFET
12 p型ボディ領域
13、43 n型エピタキシアル層
14 ゲート
15 ゲート絶縁体
17 導体
19 トレンチ
21、44 厚い絶縁層
31、32 矢印
45 コーナー領域
Claims (20)
- トレンチMOSFETを製造する方法であって、
半導体基板を設け、
側壁及び底部を含むトレンチを前記基板内に形成し、
前記トレンチの前記底部の少なくとも一部に第1の注入種を注入し、
前記トレンチの前記底部及び側壁に重なる絶縁層を付着させる、
段階を含み、
前記絶縁層が前記側壁より速く前記トレンチの前記底部上に成長するように、前記第1の注入種が選択されることを特徴とする方法。 - 前記第1の注入種が不活性気体であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記第1の注入種がアルゴンであることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記第1の注入種が、ネオン及びヒ素からなるグループから選択されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記トレンチの前記側壁の少なくとも一部に第2の注入種を注入する段階をさらに含み、
前記絶縁層が前記側壁より速く前記トレンチの前記底部上に成長するように、前記第2の注入種が選択されることを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記第2の注入種が窒素であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記絶縁層が二酸化ケイ素であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記トレンチの前記底部の一部に隣接する前記基板内に、高導電性領域を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記側壁に隣接して配置されたボディ領域を前記基板内に形成し、
前記側壁及び前記基板の上面に隣接して配置されたソース領域を前記ボディ領域内に形成する、
段階をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - ドープされたポリシリコンを前記トレンチ内に付着させる段階をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- トレンチMOSFETを製造する方法であって、
半導体基板を設け、
側壁及び底部を含むトレンチを前記基板内に形成し、
前記トレンチの前記側壁の少なくとも一部に第1の注入種を注入し、
前記トレンチの前記底部及び側壁に重なる絶縁層を付着させる、
段階を含み、
前記絶縁層が前記底部より遅く前記トレンチの前記側壁上に成長するように、前記第1の注入種が選択されることを特徴とする方法。 - 前記第1の注入種が窒素であることを特徴とする請求項11に記載の方法。
- 前記トレンチの前記底部の少なくとも一部に第2の注入種を注入する段階をさらに含み、
前記絶縁層が前記底部より遅く前記トレンチの前記側壁上に成長するように、前記第2の注入種が選択されることを特徴とする請求項11に記載の方法。 - 前記第2の注入種が不活性気体であることを特徴とする請求項11に記載の方法。
- 前記第2の注入種がアルゴンであることを特徴とする請求項11に記載の方法。
- 前記第2の注入種が、ネオン及びヒ素からなるグループから選択されることを特徴とする請求項11に記載の方法。
- 前記絶縁層が二酸化ケイ素であることを特徴とする請求項11に記載の方法。
- 前記トレンチの前記底部の一部に隣接する前記基板内に、高導電性領域を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項11に記載の方法。
- 前記側壁に隣接して配置されたボディ領域を前記基板内に形成し、
前記側壁及び前記基板の上面に隣接して配置されたソース領域を前記ボディ領域内に形成する、
段階をさらに含むことを特徴とする請求項11に記載の方法。 - ドープされたポリシリコンを前記トレンチ内に付着させる段階をさらに含むことを特徴とする請求項11に記載の方法。
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