JP2004507088A - トレンチゲート半導体装置の製造方法 - Google Patents

トレンチゲート半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

トレンチゲート半導体装置、例えばパワートランジスタあるいはメモリ装置の製造方法は、第1の窓(51a)を有する第1のマスク(51)を半導体本体(10)の表面(10a)に形成するステップと、第2の材料からなる薄い層(52)を第1の窓(51a)に設けるステップと、湾曲側壁を有する第3の材料からなる中間マスク(53A,53B)を形成し、かつこの中間マスク(53A,53B)を使用し、トレンチゲートトレンチ(20)をエッチングするために使用される第2の窓(52a)を有する第2の材料からなる2つのL状部(52A,52Dおよび52B,52E)を形成するステップとを含む。各L状部の矩形ベース部(52D,52E)は、このトレンチ(20)がエッチング中狭く保持されることを保証する。狭いトレンチは、低電圧セルラトレンチゲートパワートランジスタの低固有オン抵抗および低RC遅延にとって有利である。狭く深いトレンチは、メモリセルがトレンチゲートによって囲まれるスイッチングトランジスタセルおよび同じトレンチのより低い部分の蓄積キャパシタを有するDRAM装置のセル密度にとっても有利である。

Description

【0001】
本発明は、複数のトランジスタセルを有する半導体本体を含み、各トランジスタセルが、トレンチ内にゲート材料を有する半導体本体の中に延びるトレンチを含むトレンチゲートによって囲まれ、かつ各トランジスタセルが、トレンチゲートに隣接するチャネル適合領域によって分離されるソース領域およびドレイン領域を有する型のトレンチゲート半導体装置の製造方法に関する。本発明はまた、このような方法によっても製造される型の半導体装置にも関する。
【0002】
PCT出願第99/54918号(我々の参照番号PHB34245号)明細書から公知である上記の型のトレンチゲート半導体装置を製造する方法においては、
(a)後で形成される前記トレンチの中間点パスと一致する中間点パスをそれぞれ有する複数の第1の窓を有する第1の材料からなる第1のマスクを半導体本体の表面に形成するステップと、
(b)それぞれ第1の窓の第1のマスクへの2つの側壁拡張部を設けることによって第1の窓内部に形成され、かつ第1の窓よりも小さい複数の第2の窓を有する第2のマスクを前記半導体本体上に形成するステップと、
(c)半導体本体の中にエッチングすることによってトレンチを第2の窓に形成するステップと
を含んでいる。
【0003】
PCT出願第99/54918号明細書に開示された方法においては、上記のステップ(a)、(b)および(c)は、5μmあるいはそれよりも小さい再現できるトランジスタセルピッチを可能にするセルフアライメントプロセスによって縦型パワートランジスタとして半導体装置を製造する際に含まれる。トレンチゲートトレンチの幅は検討されていなくて、そこに開示された方法においては、各第2の窓を形成する第1のマスクへの2つの側壁拡張部は、各々湾曲側壁を有する。トレンチのエッチング中、これらの側壁拡張部の幅は、その湾曲側壁表面により減少する。そうすることによって、第2の窓つまりトレンチは、トレンチエッチング中拡大される。
【0004】
本発明の目的は、トレンチゲート半導体装置に狭いトレンチを製造するためにより良く適合される方法を提供することにある。
【0005】
本発明によれば、前述のステップ(a)、(b)および(c)を含む製造方法において、
(d)第1のマスクの側壁上の垂直部および半導体本体の表面上のベース部を有する、第2のマスクが形成される第2の材料からなる連続層を、各第1の窓に設けるステップと、
(e)第2の材料からなる層の垂直部を覆い、かつ第2の窓が形成される場所を除いて第2の材料からなる層のベース部を覆う第3の材料からなる中間マスクを各第1の窓に形成するステップと、
(f)各第1の窓の中間マスクを使用し、第2の材料からなる層のベース部をエッチングし、かつ第2の窓を形成するステップと、
(g)中間マスクを取り除き、第1のマスクへの2つの側壁拡張部として各第1の窓内部の第2の材料からなる一対のL状部を残すステップと
を含み、各L状部は、半導体本体表面に平行な上部表面および半導体本体表面に垂直な側面表面を有する矩形断面ベース部を有し、ステップ(g)の後にステップ(c)を実行してトレンチを形成する
ことを特徴とする請求項1に記載の製造方法が提供される。
【0006】
本発明の方法では、各L状部の矩形断面ベース部は、トレンチエッチング中第2の窓をかなり広くすることが全然ないように保証する。このトレンチは、垂直方向に均一にエッチングされ、L状部によって画定される第2の窓によりエッチング中狭く保持される。
【0007】
特開平9−134916号公報は、第2の窓がトレンチゲート装置のトレンチをエッチングするために使用されるのではなく、その代わりに凹まされた部分酸化分離領域を受け入れる浅い溝をエッチングするために使用されることを除いて本発明の上記に示された公知のステップ(a)、(b)および(c)と同様のステップを含む半導体装置を製造する方法を開示している。第2の窓を形成するために第1のマスクに提供される側壁拡張部は、湾曲側壁を有する一部としてこの文献の1つの実施形態に開示され、L状部として他の実施形態に開示されている。狭いトレンチゲート装置のトレンチのさらに良好な製造の目的のために本発明の方法で製造されるこれらの2つの種類の側壁拡張部間の選択は、文献特開平9−134916号公報の教示から誘導できるものではない。
【0008】
半導体装置を縦型パワートランジスタとして製造するためのものである方法に適合される機能および半導体装置をメモリ装置として製造するための方法に適合される特徴を含む本発明による方法の好ましい特徴は、請求項2ないし15に特定されている。本発明の方法によって製造されたトレンチゲート・パワートランジスタおよびこのようなパワートランジスタの好ましい特徴は、請求項16ないし19に特定されている。本発明の方法によって製造されるメモリ装置は請求項20に特定されている。ここに述べた好ましい特徴の利点は、以下に述べる実施の形態に関して説明される。
【0009】
次に添付図面を参照して、本発明の実施の形態が一例として説明される。
【0010】
全図とも概略図であり、一定の比率に従って作図されている訳ではないことに注意すべきである。すなわち、図面上の各要素の相対寸法および比率は、図を明瞭にし、かつ見やすくするために、部分的に大きさを誇張したり逆に縮小したりして示されている。また、異なる製造工程および修正された実施形態および異なる実施形態の対応する特徴あるいは類似する特徴を示すために同じ参照符号が使用されている。
【0011】
図2は、複数のトランジスタセルを有する縦型トレンチゲート・パワートランジスタの典型的な実施形態を示すものである。各トランジスタセルは、トレンチ20内にゲート材料11を含むトレンチゲートによって囲まれ、各トランジスタセルは、トレンチゲートに隣接する逆の第2の導電型(すなわち、本例ではp型)のチャネル適合領域15によって分離される第1の導電型(この例ではn型)のソース領域およびドレイン領域13,14をそれぞれを有する。この装置のオン状態でゲート11への電圧信号の印加は、公知の方法で領域15に伝導チャネル12を誘起し、ソース領域およびドレイン領域13,14間のこの伝導チャネル12の電流の流れを制御するのに役立つ。
【0012】
このソース領域13は、装置本体の上部主表面10aでソース電極23によって接触される。この領域14は、高導電率の基板領域14a上の高抵抗率(低ドーピング)のエピタキシャル層によって形成されるドレインドリフト領域であってもよい。この基板領域14aは、縦型MOSFETを提供するように、この領域14と同じ導電型(この例ではn形)のものであってもよいし、あるいは縦型IGBTを提供するように逆の導電型(この例ではp形)のものであってもよい。この基板領域14aは、MOSFETの場合はドレイン電極と呼ばれ、IGBTの場合はアノード電極と呼ばれる電極24によって装置本体の底部主表面10bに接触される。
【0013】
図2の装置は、図1Aないし1Gにおいて、下記のステップを含む方法、すなわち、
半導体本体10(一般的には単結晶シリコンからなる)の表面10aに、複数の第1の窓51aを有する第1の材料からなる第1のマスク51を形成するステップ(図1A参照)と、
次に、各第1の窓51a内で、第1のマスク51の側壁上の垂直部52A,52Bおよび半導体本体の表面10a上にベース部52Cを有する、第2のマスクを形成する第2の材料(好ましくはシリコン窒化膜)の連続層52を設けるステップ(図1B参照)と、
第2の材料からなる層の垂直部52A,52Bを覆う各第1の窓51aに、第3の材料からなる中間マスク53A,53Bを形成し、かつ第2の窓が形成される場所を除いて第2の材料からなる層のベース部52Cを覆うステップ(図1Cおよび図1D参照)と、
各第1の窓51aの中間マスク53A,53Bを使用し、第2の材料からなる層のベース部52Cをエッチングし、第1の窓51a内部にあり第1の窓51aよりも小さい第2の窓52aを形成するステップ(図1E参照)と、
中間マスク53A,53Bを取り除き、各第1の窓51aの内部に、半導体本体表面10aに平行な上部表面を有する矩形断面ベース部52D,52Eおよび半導体本体表面10aに垂直な側面表面を有する第2の材料からなる一対のL状部52A,52Dおよび52B,52Eを、各第1の窓51a内の第1のマスク51への2つの側壁拡張部によって形成される第2のマスクとして残すステップ(図1F参照)と、
各第2の窓52aで半導体本体10の中へエッチングすることによってトレンチ20を形成するステップ(図1G参照)と、
を含む方法によって製造される。
【0014】
各L状部の矩形ベース部52D,52Eは、トレンチエッチング中第2の窓52aを大して広くすることがないので、トレンチ20は第2の窓52aによるエッチング中狭く保持されることを保証する。狭いトレンチを製造するために十分適合されるこの方法のセルラトレンチゲート・パワートランジスタに対する長所は、図2および図3を参照して下記に詳細に説明され、下記のようにここで要約されている。各々の囲むトレンチゲート内部の与えられたトランジスタセルサイズに関して、より狭いトレンチゲートは、この装置の所与のアクティブ領域内部のより大きいトランジスタセル密度を可能にする。所与のトランジスタセルピッチに関して、トレンチゲート幅を狭くすることは、ゲート・ドレイン間のキャパシタンスを減らし、したがってRC遅延時間を特により小さいセルピッチの場合に得られる値に匹敵する値に減少する。さらに、トランジスタセルが、2次元繰り返しパターンで構成される、例えば正方形のセルの幾何学的形状を有する所与のトランジスタセルピッチに関して、トレンチゲート幅を狭くすることは、チャネル適合領域の周辺長を著しく増加させる。すなわち、チャネル幅を増加させ、したがってチャネル抵抗を減らす。チャネル抵抗がこの装置の特定のオン抵抗の主な一因になっている比較的低い電圧の縦型トレンチゲートパワートランジスタに関して、所与のトランジスタセルピッチに対するトレンチゲート幅を狭くすることは、この装置のオン抵抗率を著しく減らす。
【0015】
次に、図2のトランジスタセルの製造における連続工程を、図1A〜図1Jを参照して詳述する。
【0016】
図1Aは、トランジスタセルのチャネル適合領域を形成するのに適している上部表面10aおよび上部p形領域15を有する単結晶シリコン半導体本体10を示している。第1の材料、本例ではシリコン酸化膜からなる第1のマスク51は、公知の付着技術、例えば、プラズマCVDを使用して連続的に厚い層を形成し、次に公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用してこの層に第1の窓51aを形成することによって表面10aに形成される。第1の窓51aは、後で形成されるトレンチの中間点パスと一致した中間点パスを持っている。典型的な例では、層51は、0.5μmの厚さを有し、各窓は0.6μmの幅を有する。
【0017】
トランジスタセルの環状ソース領域に適しているn導電型の領域13aは、次にアニーリング、そして拡散が行われる、ドナーイオン(例えば、リンあるいはヒ素)の打ち込みによって半導体本体10の領域15の上部に形成されるので、各領域13aは、窓51aのマスクエッジを越えて必要とされる距離まで横方向にマスク51の下に延びる。
【0018】
図1Bに示されるように、第2の材料、本例ではシリコン窒化膜からなる連続する薄い層52が、第1のマスク51の上部および窓51aの形状に適合した各第1の窓51aに付着することによって形成される。この層52は、第1のマスク51の側壁上の垂直部52A、52Bおよび半導体本体10の表面10a上のベース部52Cを有する。典型的な例では、この層52は0.05μmの厚さを有する。
【0019】
図1Cに示されるように、第3の材料からなる層53、本例では多結晶シリコン(あるいはアモルファス、あるいは多結晶シリコン−ゲルマニウム)が、第1のマスク51の上部および第1の窓51aのシリコン窒化膜の層52に付着される。典型的な例では、この層53は、マスク51の上部で0.1μm〜0.5μmの厚さである。この層53は、窓51aの領域にくぼみを有する輪郭をもつ上部表面を有する。次に、この層53は、異方性エッチバックされ、第1のマスク51の上部のシリコン窒化膜の層52を露出し、各第1の窓51aの第3の材料からなる中間マスクを図1Dに示されるような2つの湾曲側壁部53A,53Bとして残す。この側壁部53A,53Bは、シリコン窒化膜の層の垂直部52A,52Bを覆い、第2の窓が形成される場合を除いてシリコン窒化膜の層のベース部52Cを覆う。典型的な例では、側壁部53A,53Bの各々は、そのベースに0.125μmの幅を有し、ベース部52Cの覆われていない幅は0.25μmである。
【0020】
図1Eに示されるように、シリコン窒化膜の層のベース部52Cをエッチングし、第2の窓52aを形成するために各第1の窓51aの中間マスク53A,53Bが使用される。同時に、シリコン窒化膜層52は、第1のマスク51の上部から取り除かれる。図1Fに示されるように、中間マスク53A,53Bは、次に各第1の窓51a内部のシリコン窒化膜の一対のL状部を第1のマスク51への2つの側壁拡張部として残すようにエッチングによって取り除かれ、各L状部は、垂直部52A,52Bを有し、半導体本体表面10aに平行な上部表面および半導体本体表面に垂直な側面表面を有する矩形断面ベース部52D,52Eを有する。第1のマスク51へのこの2つのL状側壁拡張部は、半導体本体10上に第2のマスクを形成し、この第2のマスクの各第2の窓52aは、第1の窓51a内部に形成され、第1の窓51aよりも小さい。
【0021】
図1Gに示されるように、次に好ましくは異方性プラズマエッチングを使用して各第2の窓52aの半導体本体10の中へエッチングすることによってトレンチ20が形成される。このトレンチ20は、nの打ち込まれた領域13aの中央領域を取り除き、隣接するトランジスタセルのための環状ソース領域13を生じる。このトレンチ20は、p形領域15を通して延び、隣接するトランジスタセルのチャネル適合領域を形成する。さらにトレンチ20は、トランジスタセルの高抵抗率のn形ドレインドリフト領域14の下にある部分の中へ延びる。各L状のシリコン窒化膜部の矩形ベース部52D,52Eは、トレンチエッチング中第2の窓52aを大幅に広くすることがないので、トレンチ20は第2の窓52aによるエッチング中狭く保持されることを保証する。典型的な例では、トレンチ20の幅は0.25μmであり、トレンチ20の深さは1.0μmである。
【0022】
図1Hによって示されるように、次に各トレンチ20に薄いゲート絶縁層17が形成される。この絶縁層17は、付着、あるいはシリコン本体10のドライ乾燥あるいはウェット酸化成長による酸化によって形成されてもよいシリコン酸化膜であってもよい。酸化膜層17が低温で水蒸気の中で成長される場合、酸化膜層17は、大いに不純物を添加されたnソース領域13でチャネル適合領域15でよりも速く成長する。ソース領域13を覆う結果として生じるより厚い酸化膜17は、L状部のベース部52D,52Eの下の良質の酸化膜17を保証する際に有利であり、低ゲート酸化膜17の絶縁破壊あるいは最悪の場合にソース・ゲート間短絡を避けるのに役立つ。不純物を添加された多結晶シリコンであり得るシリコン材料11は、次に絶縁層17上のトレンチ20に付着され、次に各トレンチゲートのためのゲート11およびシリコン窒化膜のL状部のベース部52D,52E間の上部も設けるために残されるまでエッチバックされる。
【0023】
図1Iに示されるように、次に各ゲートの一面にゲート絶縁オーバーレイヤ18を設けるように付着ゲート材料11の上部が酸化される。それとは別に、ゲート材料11は、最初にトレンチ20の上部および次にシリコン窒化膜のL状部のベース部52D、52E間にゲート絶縁オーバーレイヤ18を生成するように酸化されるゲート材料の上部までエッチバックされてもよい。第4の材料54、本例では多結晶シリコン(あるいはアモルファス、あるいは多結晶シリコンゲルマニウム)が次に付着されプレーナー化されるので、この多結晶シリコンは、ゲート絶縁オーバーレイヤ18の一面におよび各第1の窓51aの上部内部および各第1の窓51aの上部までのシリコン窒化膜のL状部どうし間に設けられる。
【0024】
図1Jに示されるように、第1のマスク51は、次に各対のシリコン窒化膜のL状部どうし間に半導体本体表面10aを露出させるようにエッチングによって取り除かれる。
【0025】
シリコン窒化膜のL状部を含む、図1Jに示されるような構造は、前述された例に示された組合せと異なる第1、第3および第4の材料51、53および54の組合せを使用して製造することができる。したがって、例えば、第1の材料51は、上記のようなシリコン酸化膜でもよく、第3の材料53は、上記のような多結晶シリコン(あるいはアモルファス、あるいは多結晶シリコンゲルマニウム)であってもよく、第4の材料54は、シリコン窒化膜であってもよい。さもなければ、例えば、第1の材料51は、上記のような多結晶シリコン(あるいはアモルファス、あるいは多結晶シリコンゲルマニウム)でもよく、第3の材料53は、上記のようなシリコン酸化膜であってもよく、第4の材料54は、シリコン窒化膜であってもよい。
【0026】
シリコン窒化膜は、L状部を形成するために使用される第2の材料にとって好ましい。このための1つの理由は、シリコン窒化膜層52が第2の窓52Aを形成するために図1Eに示された工程で大いに選択エッチングすることができると同時に中間マスク53A,53Bおよび無傷の第1のマスク51の両方を残している。マスク51がシリコン酸化膜である場合にこの工程に適しているウェットエッチングは、HPOおよびHSOの混合物である。L状部を形成するために層52のために使用される第2の材料はシリコン酸化膜であってもよい。この場合、例えば、第1のマスク51のための材料は、シリコン窒化膜であってもよく、第3の材料53および第4の材料54の両方は多結晶シリコン(あるいはアモルファス、あるいは多結晶シリコンゲルマニウム)である。
【0027】
次に、図2を参照すると、囲むトレンチゲート11を有する2つのトランジスタセルが示されている。図1Jに示された構造を形成した後、2個と半分のこのような構造が図2に示され、電極材料(例えば、アルミニウム)が、ソース電極23を形成するために付着される。ソース電極23は、L状部52A,52Dおよび52B,52Eの上に、およびL状部どうし間の第4の材料54の上に延び、ソース電極23は、各トランジスタセルの環状ソース領域13および各トランジスタセルのソース領域13内部にあり、このソース領域13に隣接する半導体本体表面10aのチャネル適合領域15に接触する。
【0028】
次に、図3を参照すると、これは、図2の断面が図3のA−A線上にあるような2次元繰り返しパターンで構成される正方形の幾何学的形状のトランジスタセルの概略を示す、図2に示された半導体本体の一部の平面図を示す。図3に示された正方形は、トランジスタセルのチャネル適合領域15の周辺を示し、各トランジスタセルはトレンチゲート11によって囲まれる。図1Gを参照して前述されたように、本発明による典型的な例では、トレンチゲート11の幅を決定するトレンチ20の幅は0.25μmである。図2および図3に示されたトランジスタセルは、この典型的な例では、2μmのセルピッチを有することができる。図3に示された破線の輪郭正方形151は、2μmの同じセルピッチを有するが0.5μmのトレンチ幅を有するトランジスタセルのためのチャネル適合領域の周辺を示す。トランジスタセルはオフ状態における特定のソース・ドレイン間電圧に耐えるように構成され、この特定の電圧が約50ボルトまでの範囲にある比較的低い電圧の縦型トレンチゲートパワートランジスタの場合、チャネル抵抗は、この装置の特定のオン抵抗の主な一因になっている。図3に示されるように、所与のトランジスタセルピッチのためのトレンチゲート幅を狭くすることは、チャネル適合領域の周辺を著しく増加させる、すなわちチャネル幅を増加させ、したがってチャネル抵抗を減らす。セルピッチが2μである上記に示される典型的な例では、0.25μmのトレンチ幅を有する正方形のセル装置は、0.5μmのトレンチ幅を有する装置と比較される10%の減少される特定のオン抵抗を有することが分かった。さらに、1μm〜3μmの範囲にあるセルピッチを有する同様な装置の場合、0.1μm〜0.4μmの範囲の幅を有するトレンチは、0.5μmのトレンチ幅を有する装置と比較して20%までの特定のオン抵抗の減少を生じることが分かった。本発明の方法は、この示された狭い幅の範囲を有するトレンチを製造することにうまく適合される。いま示されたトレンチ幅の範囲に対して0.5μm〜3μmの範囲の深さを有するトレンチに対応し得る本発明により製造される縦型トレンチゲート・パワートランジスタのトレンチに対して4あるいはそれ以上のアスペクト比を期待することができる。
【0029】
与えられたトランジスタセルピッチに関して、トレンチゲート幅を狭くすることは、ゲート・ドレイン間キャパシタンスを減らし、したがってRC遅延時間を減少させるものであることが分かった。したがって、上記に示される0.1μm〜0.4μmの範囲のトレンチ幅は、例えば上記に示された1μm〜3μmの範囲のセルピッチと、約0.5μmへのセルピッチの減少によって特に得られるだけと約同じであるRC遅延時間とを有するトランジスタセルのために生じるものである。
【0030】
図2は、トランジスタセルの断面図である。各セルは、環状ソース領域を有し、また各セルは、トランジスタセルが公知のセルの幾何学的形状および図3に示されたセルレイアウトとは異なるセルレイアウトを有する場合、トレンチゲートによって囲まれる。一例では、トランジスタセルは、六角形の形状を有し、密に詰め込まれた2次元繰り返しパターンで構成されてもよい。本例では、トレンチ幅およびセルピッチに関する正方形のセルおよび特定のオン抵抗およびRC遅延時間に関する影響の上記の検討を同様に用いる。他の例では、トランジスタセルは、細長いストライプ状を有してもよく、各ストライプセルは、この装置の全アクティブ領域を横切って延び、1次元繰り返しパターンで構成される。本例では、各セルの長さが各セルの幅よりも非常に大きい場合、所与のトランジスタセルピッチに対するトレンチゲート幅を狭くすることは、セルのチャネル適合領域の周辺を著しく増加させることはないので、この装置の特定のオン抵抗を減らさない。しかしながら、この細長いストライプ状セルの例では、トレンチゲート幅を狭くすることは、ゲート・ドレインキャパシタンスをさらに減らし、有利なことにはこの装置のRC遅延時間を減らす。
【0031】
前述されるような正方形、六角形あるいは細長いストライプ状の幾何学的形状であり得るトランジスタセルを有する縦型トレンチゲート・パワートランジスタは、一般的にはソース電極23とドレイン電極24との間に数百の並置トランジスタセルを含む。この装置のアクティブセル領域は、いろいろな公知の周辺終端方式によって半導体本体10の周辺に制限される。総ての前述されたセルの幾何学的形状に関して、各々の囲むトレンチゲート内部の所与のトランジスタセルサイズの場合、より狭いトレンチゲートによって、より多数のトランジスタセルは、この装置の結果として生じる特定のオン抵抗の減少によってこの装置の所与のアクティブ領域内部に受け入れることができる。
【0032】
次に、図4を参照する。これは、トランジスタセル環状ソース領域13を設ける方法に関して図1A〜図1Jを参照して説明される方法から逸脱する方法によって製造された図1Jの構造の修正を示している。図1Aに示されるような第1のマスク51を使用してn領域13aを設ける代わりに、半導体本体には、第1のマスク51を形成する前に環状ソース領域に適しているn形導電率の上部層13bが設けられている。この層13bは、p形導電率領域15の上部のエピタキシャル成長あるいは領域15への打ち込みによって設けられてもよい。図1Jを参照して前述された方法で第1のマスク51を取り除いた後、上部層13bは、L状部52A,52Dおよび52B,52Eおよびエッチング液マスクのような第4の材料54を使用してエッチングされ、L状部によって画定される横方向範囲を有する環状ソース領域13を設ける。次に、ソース電極が設けられ、このソース電極は、L状部およびL状部どうし間の第4の材料の上に延び、このソース電極は、図2を参照して説明されたのと同じ方法で、環状ソース領域および隣接するソース領域内の図4の10cのように示される半導体本体表面に接触する。
【0033】
次に、図5A、図5Bおよび図5Cを参照すると、トランジスタセル環状ソース領域を設ける方法に関して本発明による方法の他の修正が示されている。上部p形領域15への打ち込みのために図1Aに示されるような第1のマスク51を使用してn領域13aを設ける代わりに、図1A〜図IJの工程は、上部表面10aに延びるドレインドリフトn領域14を有する半導体本体10で実行される。
【0034】
図5Aに示されるように、半導体本体10をアニーリングし、半導体本体10へ拡散することが続く2つのドーパントイオン打ち込みの工程が次に実行される。第1の工程では、p形領域15が、トランジスタセルのチャネル適合本体領域に適しているトレンチゲート20,17,11に隣接する適当な深さまで形成される。適当なアクセプタドーパントはホウ素である。第2の工程では、トランジスタセルの環状ソース領域に適しているn導電型の領域13cは、半導体本体10の上部に形成され、適当なドナードーパントはリンあるいはヒ素である。領域13cは、各対のシリコン窒化膜のL状部52A,52Dおよび52B,52E間で露出される。シリコン酸化膜の薄い層(図示せず)は、打ち込み工程前に半導体本体表面上10aに成長され、次に後の工程で取り除かれてもよい。
【0035】
次にシリコン酸化膜の層が付着され、多結晶シリコン充填剤54の上の輪郭をもつ上部表面(図示せず)と、シリコン窒化膜垂直部52A,52Bと、半導体本体上部表面10aとを有する。輪郭をもつシリコン酸化膜層は、次に図5Bに示されるようなスペーサ64を形成するように異方性エッチングされる。各シリコン酸化膜スペーサ64は、シリコン窒化膜の垂直部52A,52Bの外部表面と整列された垂直表面64Aと、水平ベース表面64Bと、垂直表面および水平表面64Aおよび64B間の湾曲側壁とを有する。
【0036】
図5Bにさらに示されているように、環状ソース領域13は、次にスペーサ64をマスクとして使用してn領域13cをエッチングすることによって形成され、トレンチゲート20,17,11からのソース領域13の横方向の長さは、スペーサ64のベース表面64Bの横方向の長さによって決定される。ソース領域13を形成するエッチングは、これらのソース領域13の垂直側面表面13Aおよび本体領域15の隣接上部表面を露出する。このエッチング工程も多結晶充填材54を部分的にエッチングし、各対のL状部52A,52Dおよび52B,52E内部の減少された高さの充填材54Aを形成する。
【0037】
図5Cに示されるように、シリコン酸化膜スペーサ64は、次にエッチバックされ、減少されたスペーサ64’を形成し、したがってソース領域13の上部表面13Bを露出し、次にシリコン窒化膜垂直部52A,52Bは、エッチバックされ、減少された高さの充填材54Aでプレーナー化表面を形成する。次にソース電極が設けられ、このソース電極は、減少された充填材54A、減少された垂直部52A,52Bおよび減少されたスペーサ64’の上に延び、このソース電極は、各トランジスタセルの環状ソース領域13および各トランジスタセルのソース領域13内部にあり、ソース領域13に隣接するチャネル適合本体領域15の露出された側面表面13Aおよび露出された上部表面13Bに接触する。
【0038】
次に、図6A、図6Bおよび図6Cを参照する。ここには、トランジスタセル環状ソース領域を設けることに関して本発明による方法の他の変更が示されている。さらに、上部p形領域15への打ち込みに関して図1Aに示されるような第1のマスク51を使用してn領域13aを設ける代わりに、図1A〜図1Jの工程は、上部表面10aに延びるドレインドリフトn領域14を有する半導体本体10に関して実行される。図6Aは、図5Aを参照して前述されたのと同じ方法でp形領域15およびn導電型領域13cを形成するためのドーパント打ち込みと拡散の2つの工程を示している。しかしながら、図6Aの工程の場合の開始構造は、図1Hおよび1Iを参照して前述される工程に対応する工程の変更によって図5Aに示された工程に関して変更される。図1Hに対応する工程では、ゲート材料11は、半導体本体10の表面10aのレベルまで下方へプレーナー化され、図1Iに対応する工程では、第4の材料54は、L状部のベース部52D,52E間で表面10aのレベルまで付着される。したがって、図6Aの工程の場合の開始構造では、(図5Aの層18のように示されている)ゲート絶縁層はない。
【0039】
次に図6Bを参照すると、図6Aに示された充填材54は、シリコン窒化膜のL状部52A,52Dおよび52B,52E間に空間を残すようにエッチングによって取り除かれる。したがって、付着シリコン酸化膜の層は、ゲート材料11の上の輪郭をもつ上部表面(図示せず)、L状部52A,52Dおよび52B,52Eおよび半導体本体上部表面10aを有する。この輪郭をもつシリコン酸化膜層の異方性エッチングは、スペーサ64を形成し、同時に図6Bに示されるような垂直部52A,52Bの内部表面に対して他のスペーサ65を形成し、シリコン酸化膜絶縁材料からなるこれらの他のスペーサ65は、シリコン窒化膜ベース部52D,52Eおよびゲート材料11を併合し、かつ覆う。スペーサ64が、図6Cに示されるようにソース領域13を形成後に減少される場合、他のスペーサ65も、ゲート11の上部にゲート絶縁オーバーレイヤ65’を残すように減少される。
【0040】
図5A〜図5Cおよび図6A〜図6Cを参照して前述された例では、L状部の垂直部52A,52Bは、ソース領域13を形成するために使用されるスペーサ64に対する明確な工程を設ける。さらに、L状部52A,52Dおよび52B,52Eは、単一マスク51から始まる2つの工程のセルフアライメント処理の各工程で重要な部分を演じ、第1の工程は、ベース部52D,52Eを使用して狭いトレンチ20を形成するためのものであり、第2の工程は、垂直部52A,52Bを使用してソース領域を形成するためのものである。
【0041】
図5A〜図5Cおよび図6A〜図6Cを参照して前述された例の可能な変更および修正は下記のとおりである。スペーサ64は、ソース領域13を形成する上部n領域13cをエッチングするためのマスクとして使用された。スペーサ64は、ソース領域を形成するために異なって使用されてもよい。したがって、スペーサ64は、不純物を添加された材料、例えば、n形リンあるいはヒ素ドーパントを有する多結晶シリコンであってもよく、ソース領域13は、このドーパントをスペーサ64から上部p形本体領域15へ拡散することによって形成することができる。他の可能性は、スペーサ64自体がソース領域13を形成でき、この場合のスペーサが不純物を添加されたシリコンあるいは金属のいずれかであるということである。
【0042】
本発明の範囲内の前述されたパワートランジスタの変更および修正ならびにその製造法は下記のことを含む。
【0043】
p形導電チャネル適合領域によって分離されたn形導電ソース領域およびドレイン領域の代わりに、ソース領域およびドレイン領域は、p形であってもよく、チャネル適合領域はn形である。
【0044】
通常の形式の装置のソース領域およびドレイン領域とは逆の導電型のものであるチャネル適合領域の代わりに、このチャネル適合領域は、オン状態のトレンチゲートによって誘起された導電チャネルが電荷キャリア蓄積によって形成される蓄積モード装置のソース領域およびドレイン領域と同じ導電型のものであってもよい。トランジスタセルの少なくともいくつかは、ソース領域およびドレイン領域とは逆の導電型の局在化領域を有してもよく、この局在化領域は、ドレイン領域まで半導体本体の中へ延び、チャネル適合領域によってトレンチゲートから分離される。通常の形式の装置では、局在化領域は、その固有の寄生バイポーラトランジスタのターンオンからセルを護る。
【0045】
トレンチのゲート絶縁層によって各セルのチャネル適合領域に容量性結合されている導電トレンチゲートの代わりに、ゲート絶縁層がなく、トレンチゲートがショットキー障壁をチャネル適合領域で形成する金属のものであるいわゆるショットキーゲート技術が、その代わりに使用されてもよい。図1〜図6は、同じ厚さの絶縁体が、(絶縁体がゲート11をドレインドリフト領域14から分離する)トレンチ20の底部および(絶縁体がゲート誘電体を形成する)トレンチ20の側壁に示される絶縁ゲートパワートランジスタの製造を示している。しかしながら、トレンチの底部に設けられる絶縁体は、いろいろな公知の方法にしたがって、ゲート誘電体よりも厚くしてもよい。トレンチゲートパワートランジスタの場合、より厚い底部絶縁体を使用する際の長所は、(例えばゲートドレインキャパシタンスを減らす際に)公知であるが、特に絶縁ゲートトレンチ20が大いに不純物を添加されたドレイン領域14aの中へ延びるパワートランジスタ構造では排他的でない。このような修正は本発明による製造方法および装置で行うことができる。
【0046】
次に、図7を参照する。図7には、本発明の異なる使用法が示されている。図7は、ダイナミックランダムアクセスメモリ装置の複数のこのようなメモリセルの中の1つであるメモリセルを組み込む半導体本体の断面図である。このメモリセルは、スイッチングトランジスタとしてトレンチゲートによって囲まれたトランジスタセルと、トレンチ記憶キャパシタとを含む。このトレンチゲートは、トレンチ20のゲート材料11を有する半導体本体の中へ延びるトレンチ20を含む。このスイッチングトランジスタセルは、トレンチゲート11に隣接するp形チャネル適合領域45によって分離されるn形ドレイン領域44およびn形ソース領域43を有する。このトレンチゲート11は、メモリワード線を形成し、半導体本体の上部表面でトランジスタドレイン44に接触する電極42はメモリビット線を形成する。
【0047】
このメモリセルのトレンチ20は、図1A〜図1Gを参照して前述されたのと同じ方法によって到達される2つのL状部52A,52Dおよび52B,52Eによって形成されるマスクの窓を通してエッチングすることによって設けられる。このトレンチ20は、一般的には約3μmの深さを有するものとすることができる。トレンチ20の絶縁層は、トレンチゲート・スイッチングトランジスタのためのゲート絶縁層17およびトレンチ記憶キャパシタのためのキャパシタ誘電体171を備えている。
【0048】
トレンチ20の下部の記憶キャパシタのために、不純物を添加された多結晶シリコンであり得るキャパシタ電極111が設けられる。次に、キャパシタ電極111の上部でトレンチ20内に、縦型LOCOS処理法によって形成され得るキャパシタ絶縁層19が設けられる。次に、キャパシタ絶縁層19の上でトレンチ20の上部内にスイッチングトランジスタ・トレンチゲートのためのゲート材料11が設けられる。
【0049】
次に、ゲート絶縁オーバーレイヤ18およびL状部間材料54が設けられ、ドレイン領域44の上部表面が、図1H〜図1Kを参照して前述されたのと同じ方法によって露出され、次にトランジスタドレイン領域44に接触するようにビット線電極42が付着される。本発明の方法は、記憶キャパシタを収容するために深いトレンチおよび十分なセル密度のために狭いトレンチを設ける際に有利である。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1Aないし図1Jは本発明による方法の一例として縦型トレンチゲート・パワートランジスタの製造方法の連続工程における半導体本体の一部の断面図であって、トレンチゲートの一方の側のトランジスタセルの一部を示すものである。
【図2】トレンチゲートを有する2つのトランジスタセルを示す、図1Jの半導体本体の断面図であって、ソース電極およびトレイン電極を示す、図3のA−A線から見た断面図である。
【図3】2次元繰り返しパターンで構成される正方形の幾何学的形状のトランジスタセルの概略を示す、図2に示されたトランジスタセル領域の一部の平面図である。
【図4】本発明による方法の他の例における図1Jの修正を示す半導体本体の要部の断面図である。
【図5】図5Aないし図5Cは、図1Jの他の修正と本発明による方法の他の例の続く工程を示す半導体本体の要部の断面図である。
【図6】図6Aないし図6Cは、図1Jの他の修正と本発明による方法の他の例の続く工程を示す半導体本体の要部の断面図である。
【図7】本発明による方法の他の例によって製造されたトレンチゲート半導体メモリ装置のメモリセルを示す半導体本体の断面図である。

Claims (20)

  1. 複数のトランジスタセルを有する半導体本体を含み、各トランジスタセルが、トレンチ内にゲート材料を有する前記半導体本体の中に延びるトレンチを含むトレンチゲートによって囲まれ、かつ各トランジスタセルが、前記トレンチゲートに隣接するチャネル適合領域によって分離されるソース領域およびドレイン領域を有する、トレンチゲート半導体装置の製造方法であって、
    (a)後で形成される前記トレンチの中間点パスと一致する中間点パスをそれぞれ有する複数の第1の窓を有する第1の材料からなる第1のマスクを半導体本体の表面に形成するステップと、
    (b)それぞれ前記第1の窓の前記第1のマスクへの2つの側壁拡張部を設けることによって前記第1の窓内部に形成され、かつ前記第1の窓よりも小さい複数の第2の窓を有する第2のマスクを前記半導体本体上に形成するステップと、
    (c)前記半導体本体の中にエッチングすることによって前記トレンチを前記第2の窓に形成するステップと
    を含む、トレンチゲート半導体装置の製造方法において、
    (d)前記第1のマスクの側壁上の垂直部および前記半導体本体の表面上のベース部を有する、前記第2のマスクが形成される第2の材料からなる連続層を、各第1の窓に設けるステップと、
    (e)前記第2の材料からなる層の前記垂直部を覆い、かつ前記第2の窓が形成される場所を除いて前記第2の材料からなる層の前記ベース部を覆う第3の材料からなる中間マスクを各第1の窓に形成するステップと、
    (f)各第1の窓の前記中間マスクを使用し、前記第2の材料からなる層の前記ベース部をエッチングし、かつ前記第2の窓を形成するステップと、
    (g)前記中間マスクを取り除き、前記第1のマスクへの前記2つの側壁拡張部として各第1の窓内部の前記第2の材料からなる一対のL状部を残すステップと
    を含み、前記各L状部は、前記半導体本体表面に平行な上部表面および前記半導体本体表面に垂直な側面表面を有する矩形断面ベース部を有し、前記ステップ(g)の後にステップ(c)を実行して前記トレンチを形成することを特徴とするトレンチゲート半導体装置の製造方法。
  2. ステップ(d)において前記第2の材料からなる連続層が前記第1のマスクの上部にも設けられ、ステップ(e)において前記第3の材料が前記第1のマスク上および前記第1の窓の中の前記第2の材料からなる層上に最初に付着され、次いで、付着された第3の材料が、エッチバックされ、前記第1のマスクの上部の前記第2の材料からなる層を露出し、前記中間マスクを各第1の窓の2つの湾曲側壁部として残し、さらにステップ(f)において前記第2の材料からなる層が前記第1のマスクの上部からも取り除かれる、請求項1に記載の方法。
  3. 各トレンチに絶縁層を設けるステップと、各トレンチのゲート材料を前記絶縁層上に付着して各トレンチゲートのためのゲートを形成するステップと、各前記ゲートに覆いかぶさるゲート絶縁オーバーレイヤを設けるステップとをさらに含む請求項1または請求項2に記載の方法。
  4. 前記半導体本体は単結晶シリコンであり、前記第1の材料はシリコン酸化膜であり、かつ前記第2の材料はシリコン窒化膜である請求項1ないし3のいずれか1項に記載の方法。
  5. (h)前記第1の窓の上部であって各前記第1の窓内部の前記L状部どうし間に第4の材料を提供するステップと、
    (i)前記第1のマスクを取り除き、各対のL状部どうし間に前記半導体本体表面を露出するステップと
    をさらに含む請求項1ないし4のいずれか1項に記載の方法。
  6. 前記半導体装置は縦型パワートランジスタであって、各トランジスタセルが、前記トレンチゲートの上部に隣接する環状ソース領域を有する請求項1ないし5のいずれか1項に記載の方法。
  7. 前記半導体装置は縦型パワートランジスタであって、各トランジスタセルが、前記トレンチゲートの上部に隣接する環状ソース領域を有し、前記環状ソース領域に適している導電形の領域は、ステップ(d)の前に前記第1の窓を通してのドーパント打ち込みによって前記半導体本体の上部に形成され、ステップ(c)でトレンチを形成することが、前記打ち込まれた領域の中央部を取り除き、前記環状ソース領域を設け、かつソース電極がステップ(i)後に設けられ、前記ソース電極は、前記L状部の上に、かつ前記L状部どうし間の前記第4の材料の上に延び、かつ前記ソース電極は、前記環状ソース領域、および前記ソース領域内部にあり、かつ前記ソース領域に隣接する前記半導体本体表面に接触する、請求項5に従属する請求項5に記載の方法。
  8. 前記半導体装置は縦型パワートランジスタであって、各トランジスタセルが、前記トレンチゲートの上部に隣接する環状ソース領域を有し、前記半導体本体には、ステップ(a)で前記第1のマスクを形成する前に前記環状ソース領域に適している導電型の上部層が設けられ、前記半導体本体の前記上部層は、前記L状部によって画定された横方向長さを有する前記環状ソース領域を設けるために前記L状部および前記第4の材料をエッチング液マスクとして使用してステップ(i)後にエッチングされ、かつ前記環状ソース領域を設けた後、ソース電極が設けられ、前記ソース電極は、前記L状部の上に、かつ前記L状部どうし間の前記第4の材料の上に延び、前記ソース電極は、前記環状ソース領域、および前記ソース領域内部にあり、かつ前記ソース領域に隣接する前記半導体本体表面に接触する、請求項5に記載の方法。
  9. 前記半導体装置は縦型パワートランジスタであって、各トランジスタセルが、前記トレンチゲートの上部に隣接する環状ソース領域を有し、ステップ(i)後にスペーサが形成され、各スペーサは、第2の材料からなる前記垂直部の外部表面と整列された垂直表面および前記半導体本体表面上の水平ベース表面を有し、前記スペーサは、前記ソース領域の前記横方向の長さを有する前記環状ソース領域を前記スペーサの前記ベース表面の前記横方向長さによって決定される前記トレンチゲートから形成するために使用され、かつソース電極は、前記環状ソース領域、および前記ソース領域内部にあり、かつ前記ソース領域に隣接する前記半導体本体表面に接触するように設けられる、請求項5に記載の方法。
  10. 前記環状ソース領域に適する一方の導電型の領域は、前記半導体本体の上部にあり、かつステップ(i)後であって前記スペーサを形成する前に、各対のL状部どうし間で露出され、かつ前記環状ソース領域は、前記スペーサをマスクとして使用して一方の導電型領域をエッチングすることによって形成される、請求項9に記載の方法。
  11. 前記ソース領域を形成する前記エッチングは前記ソース領域の側面表面を露出し、次に前記スペーサが、前記ソース領域の上部表面を露出するようにエッチングされ、それによって前記ソース電極は、前記ソース領域側面表面、および上部表面が露出されたソース領域に接触する、請求項10に記載の方法。
  12. 一方の導電型の前記領域がドーパント打ち込みおよび前記第1のマスクを取り除いた後の拡散によって形成される、請求項10または請求項11に記載の方法。
  13. ステップ(h)で前記L状部どうし間に前記第4の材料を供給する前に各トレンチゲートの前記ゲート材料の上にゲート絶縁オーバーレイヤが設けられ、さらに、前記スペーサが形成される時および前記環状ソース領域がエッチングによって形成される時に、前記第4の材料が存在している、請求項10ないし12のいずれか1項に記載の方法。
  14. 前記L状部どうし間の前記第4の材料は、ステップ(i)後であって前記スペーサを形成する前に取り除かれ、前記スペーサは絶縁材料からなり、さらに第2の材料からなる前記垂直部の外部表面と整列された各前記スペーサ垂直表面で前記スペーサが形成されると同時に、前記上部の内部表面にさらなる他のスペーサが形成され、これらの他のスペーサはゲート絶縁オーバーレイヤを提供するように合体する、請求項10ないし12のいずれか1項に記載の方法。
  15. 前記半導体装置は、複数のメモリセルを有するメモリ装置であり、各メモリセルは、スイッチングトランジスタとしてトランジスタセルを含み、かつトレンチ記憶キャパシタを含み、
    各トレンチの下部の前記記憶キャパシタのためのキャパシタ電極を設けるステップと、前記キャパシタ電極の上に各トレンチの前記キャパシタ絶縁層を設けるステップと、各トレンチの上部の前記スイッチングトランジスタのトレンチゲートのための前記ゲート材料を前記キャパシタ絶縁層の上に設けるステップとを含む、請求項1ないし5のいずれか1項に記載の方法。
  16. 請求項6ないし14のいずれか1項に記載の方法によって製造されるトレンチゲートパワートランジスタ。
  17. 前記トランジスタセルは1μm〜3μmの範囲のピッチを有し、前記トレンチは0.1μm〜0.4μmの範囲の幅を有し、かつ前記トレンチは0.5μm〜3μmの範囲の深さを有する、請求項16記載のパワートランジスタ。
  18. 前記トランジスタセルは、オフ状態で特定のソース・ドレイン電圧に耐え得るように構成され、前記特定の電圧は最高約50ボルトまでの範囲にある、請求項16または請求項17に記載のパワートランジスタ。
  19. 前記トランジスタセルは2次元繰り返しパターンで構成されている、請求項18に記載のパワートランジスタ。
  20. 請求項15に記載の方法によって製造されるメモリ装置。
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