JP2004514265A5

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Publication number: JP2004514265A5
Application number: JP2001524139A
Authority: JP
Filing date: 2000-09-11
Publication date: 2012-05-10
Anticipated expiration: 2020-09-11

Description

【書類名】明細書
【発明の名称】トレンチＤＭＯＳトランジスタセルの製造方法
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の伝導型の基板を準備するステップと、
上記基板上に第２の伝導型のボディ領域を形成するステップと、
少なくとも１つのトレンチを画定するマスク層を形成するステップと、
上記マスク層によって画定され、上記ボディ領域及び上記基板を通して延びるトレンチを形成するステップと、
上記トレンチの内壁を覆う絶縁層を形成するステップと、
上記トレンチ内に、上記絶縁層を覆う導電性電極を形成するステップと、
上記ボディ領域に、上記トレンチに隣接する第１の伝導型のソース領域を形成するステップとを有し、
上記トレンチを形成するステップは、該トレンチをエッチングするステップと、該トレンチを画定する上記マスク層を除去する前に該トレンチの側壁を犠牲酸化層によって平坦化するステップとを含み、
上記トレンチの内壁を覆う絶縁層を形成するステップは、ＣＶＤにより該トレンチ内に酸化層を堆積するステップを含み、
上記導電性電極を形成するステップは、上記トレンチ内に、上記絶縁層を覆うポリシリコンを堆積するステップを含み、
上記ポリシリコンを堆積するステップは、非ドープトポリシリコン層を堆積するステップと、その後にドープトポリシリコン層を堆積するステップとを含むことを特徴とするトレンチＤＭＯＳトランジスタセルの製造方法。
【請求項２】
上記ボディ領域を形成するステップは、上記基板に不純物をイオン注入するステップと、該不純物を拡散するステップとを含むことを特徴とする請求項１に記載のトレンチＤＭＯＳトランジスタセルの製造方法。
【請求項３】
上記トレンチを形成するステップは、上記ボディ領域上に、パターン成形された上記マスク層を形成するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載のトレンチＤＭＯＳトランジスタセルの製造方法。
【請求項４】
上記トレンチを形成するステップの後に、上記犠牲酸化層及びパターン成形された上記マスク層を除去するステップをさらに有することを特徴とする請求項３に記載のトレンチＤＭＯＳトランジスタセルの製造方法。
【請求項５】
上記ポリシリコンは、不純物材料を含むことを特徴とする請求項１に記載のトレンチＤＭＯＳトランジスタセルの製造方法。
【請求項６】
上記ソース領域を形成するステップは、パターン成形された上記マスク層を堆積するステップと、上記ボディ領域に不純物をイオン注入するステップと、該不純物を拡散するステップとを含むことを特徴とする請求項１に記載のトレンチＤＭＯＳトランジスタセルの製造方法。
【請求項７】
第１の伝導型の基板を準備するステップと、
上記基板上に第２の伝導型のボディ領域を形成するステップと、
少なくとも１つのトレンチを画定するマスク層を形成するステップと、
上記マスク層によって画定され、上記ボディ領域及び上記基板を通して延びるトレンチを形成するステップと、
上記トレンチの内壁を覆う絶縁層を形成するステップと、
上記トレンチ内に、上記絶縁層を覆うポリシリコンの導電性電極を形成するステップと、
上記ボディ領域に、上記トレンチに隣接する第１の伝導型のソース領域を形成するステップとを有し、
上記トレンチの内壁を覆う絶縁層を形成するステップは、ＣＶＤにより該トレンチ内に酸化層を堆積するステップを含み、
上記ポリシリコンの導電性電極を形成するステップは、非ドープトポリシリコン層を堆積するステップと、その後にドープトポリシリコン層を堆積するステップとを含むことを特徴とするトレンチＤＭＯＳトランジスタセルの製造方法。
【請求項８】
上記ボディ領域を形成するステップは、上記基板に不純物をイオン注入するステップと、該不純物を拡散するステップとを含むことを特徴とする請求項７に記載のトレンチＤＭＯＳトランジスタセルの製造方法。
【請求項９】
上記トレンチを形成するステップは、上記ボディ領域上にパターン成形された上記マスク層を形成するステップを含むことを特徴とする請求項７に記載のトレンチＤＭＯＳトランジスタセルの製造方法。
【請求項１０】
上記トレンチを形成するステップの後に、上記犠牲酸化層及びパターン成形された上記マスク層を除去するステップをさらに有することを特徴とする請求項９に記載のトレンチＤＭＯＳトランジスタセルの製造方法。
【請求項１１】
上記トレンチを形成するステップは、該トレンチをエッチングするステップと、該トレンチを画定する上記マスク層を除去する前に該トレンチの側壁を犠牲酸化層で平坦化するステップとを含むことを特徴とする請求項７に記載のトレンチＤＭＯＳトランジスタセルの製造方法。
【請求項１２】
上記ソース領域を形成するステップは、パターン成形された上記マスク層を堆積するステップと、上記ボディ領域に不純物をイオン注入するステップと、該不純物を拡散するステップとを含むことを特徴とする請求項７に記載のトレンチＤＭＯＳトランジスタセルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の属する技術分野
本発明は、一般的にはＭＯＳＦＥＴトランジスタに関し、特に、トレンチ構造をもつＤＭＯＳトランジスタに関する。
【０００２】
発明の背景
二重拡散金属酸化膜半導体（Double diffused metal-oxide-semiconductor：以下、ＤＭＯＳという。）トランジスタは、不純物拡散を利用することによってトランジスタ領域を形成した金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：以下、ＭＯＳＦＥＴという。）の一種である。ＤＭＯＳトランジスタは、一般的に、電力集積回路に高電圧回路を提供するパワートランジスタとして採用されている。ＤＭＯＳトランジスタは、低い順方向電圧降下が要求される場合には、単位面積当り電流を大きくする必要がある。
【０００３】
一般的なディスクリートＤＭＯＳ回路は、並列して形成された２個以上の個々のＤＭＯＳトランジスタセルを備える。個々のＤＭＯＳトランジスタセルは、共通のドレインコンタクト（基板）を有するが、各ソースは、金属によって互いに短絡され、各ゲートは、ポリシリコンによって互いに短絡されている。したがって、ディスクリートＤＭＯＳ回路は、小さなトランジスタがマトリクス状に形成されたものであっても、１つの大きなトランジスタと同じように機能する。ディスクリートＤＭＯＳ回路においては、トランジスタマトリックスがゲートによってオンになったとき、単位面積当りの導電率を最大にすることが好ましい。
【０００４】
特別な種類のＤＭＯＳトランジスタとして、チャネルが縦方向に形成され、ゲートがソースとドレインとの間に延びて形成される所謂トレンチＤＭＯＳトランジスタがある。内壁が薄い酸化物層で覆われ、ポリシリコンで充填されているトレンチは、電流の制限を受け難いので、固有のオン抵抗の値をより低くすることができる。トレンチＤＭＯＳトランジスタに関する具体例は、米国特許第５，０７２，２６６号、第５，５４１，４２５号、第５，８６６，９３１号に開示されている。
【０００５】
トレンチＤＭＯＳトランジスタに関する問題点の１つにパンチスルー現象（punch-through）がある。パンチスルー現象は、トランジスタのチャネルが消滅したときに発生し、一般的には、アバランシェ降伏（avalanche breakdown）の前に非破壊（non-destructive）でのリーク電流として現れる。パンチスルー現象は、トランジスタセル密度が大きい場合、特にトランジスタセル密度が約１８Ｍ／平方インチ以上の場合に有害であることがわかっている。パンチスルー現象の発生の様々な原因の中で、特に重大な原因の１つは、ゲートトレンチの形成中に発生する。そこで、特に、ゲートトレンチをエッチングした後、ゲートトレンチの側壁を平坦化するために、ゲートトレンチに薄い酸化物層を堆積する犠牲酸化処理を行う。犠牲酸化工程及び酸化物層堆積工程の間に、不純物材料は、隣接したチャネル（いわゆるｐボディ領域）からにじみ出てしまう。これは、犠牲酸化処理が高温で行われ、このとき不純物材料（一般的にはホウ素）がシリコンからゲート酸化物の中に偏析するからである。トレンチによって取り囲まれる表面領域にしたがって、チャネルの相対幅が減少するので、この問題は、セル密度が高い場合にさらに大きくなる。
【０００６】
ポリシリコンに用いられる不純物（一般的にはリン）がゲートを通ってｐボディ領域内に侵入してしまい、不純物がチャネル内のキャリア濃度を事実上減少させてしまうので、ポリシリコンを堆積してトレンチを充填する場合にも、パンチスルー現象の問題は大きくなる。この問題は、トレンチの内側を覆うゲート酸化物層の厚さが減少するにつれて、さらに大きくなる。
【０００７】
米国特許第５，０７２，２６６号には、トレンチＤＭＯＳトランジスタの製造方法が開示されており、一連の製造工程が記載されている。ここに記載されている製造工程では、ｐボディ領域のチャネル部及びソース領域は、トレンチを形成する前に形成される。しかしながら、前述したように、不純物材料は、トレンチの形成中にｐボディ領域からにじみ出てしまうので、パンチスルー現象を増大させてしまう。したがって、パンチスルー現象を補償するために、トレンチ及びｐボディ領域を深く形成しなければならない。さらに、ゲートトレンチを形成するのに用いられる酸化工程中にソース領域で発生するシリコンの結晶欠陥のために、ソース領域もトレンチ形成工程の悪影響を受ける。
【０００８】
また、米国特許第５，４６８，９８２号には、ゲートトレンチをエッチングして充填した後にｐボディ領域を形成することによってパンチスルー現象を低減する方法が開示されている。しかしながら、この方法は、ｐボディ領域を形成するときに高温（一般的には１１００〜１１５０℃）での拡散工程を経る必要があるので、完全に満足できるものとはいえない。このような高温処理では、トレンチを充填しているポリシリコン中の不純物材料が大きな割合でゲート酸化物を通ってｐボディ領域に侵入するので、パンチスルー現象を増大させる。
【０００９】
したがって、本質的にパンチスルーの影響を低減させることのできるトレンチＤＭＯＳトランジスタの製造方法が必要とされている。
【００１０】
発明の概要
本発明は、トレンチＤＭＯＳトランジスタの製造方法を提供する。本発明によれば、最初に第１の伝導型の基板を準備する。第２の伝導型のボディ領域が基板上に形成される。少なくとも一つのトレンチを画定するマスク層が形成される。次に、トレンチ及びトレンチの内壁を覆う絶縁層が形成される。絶縁層を覆う導電性電極がトレンチ内に形成される。第１の伝導型のソース領域がトレンチに隣接してボディ領域に形成される。トレンチを形成するステップは、トレンチを画定するマスク層を除去する前に、トレンチをエッチングするステップと、トレンチの側壁を犠牲酸化層で平坦化するステップとを含む。トレンチの内壁を覆う絶縁層を形成するステップは、ＣＶＤによりトレンチ内に酸化層を堆積するステップを含む。また、導電性電極を形成するステップは、トレンチ内に、絶縁層を覆うポリシリコンを堆積するステップを含み、ポリシリコンを堆積するステップは、非ドープトポリシリコン層を堆積するステップと、その後にドープトポリシリコン層を堆積するステップとを含む。
【００１１】
本発明は、パターン成形されたトレンチマスクを除去する前に、トレンチを形成するステップを完了させるので、パターン成形されたトレンチマスクがキャップ、すなわちバリアとして機能し、不純物材料がｐボディ領域からにじみ出すことを防止することができる。したがって、パンチスルー現象は、減少する。
【００１２】
本発明の他の実施の形態にしたがって、導電性電極は、ポリシリコンから形成される。ポリシリコンの導電性電極を形成するステップは、非ドープトポリシリコン層を堆積するステップと、その後にドープトポリシリコン層を堆積するステップとを含む。これらのステップを実行することによって、非ドープトポリシリコン層がバッファ層として機能し、不純物材料が絶縁層を通ってｐボディ領域内ににじみ出すことを防止するので、パンチスルー現象を低減することができる。
【００１３】
発明の詳細な説明
図１は、本発明の一実施の形態にしたがって、六角形状に形成されたトレンチＤＭＯＳトランジスタ２１の半分を表す断面図である。このトレンチＤＭＯＳトランジスタ２１は、低濃度にドープされたｎエピタキシャル層１０４を成長させたｎ＋基板１００を備える。ｎエピタキシャル層１０４内には、逆極性の伝導型のｐボディ領域１１６が形成されている。ｐボディ領域１１６の上部で、かなりの部分に形成されているｎ型層は、ソース領域１４０として機能する。エピタキシャル層１０４に形成された六角形のトレンチ１２４は、この構造体の上面で開口している。トランジスタセルに関連したトレンチ１２４は、水平断面が六角形のセル領域３１を画定する。セル領域３１内で、ｐボディ領域１１６は、構造体の上面に延びており、セル領域３１の表面で露出パターン３３を形成している。
【００１４】
図１に示すトレンチＤＭＯＳトランジスタ２１のゲートは、縦方向に形成された方形のトレンチに配置される。このトレンチＤＭＯＳトランジスタ２１の構造は、トレンチ縦型ＤＭＯＳＦＥＴとも呼ばれる。ドレインコンタクトは、基板１００の裏、すなわち下面にあり、ソースからドレインへのチャネル電流がほぼ縦方向に流れるので、「縦型」と呼ばれる。これによって、従来のＤＭＯＳトランジスタにおける湾曲させられた電流経路、あるいは寄生的な電界効果を生ずる構造のために発生していた高い抵抗値を減少させることができる。トレンチＤＭＯＳトランジスタ２１の場合には、ソース領域１４０は、既に拡散された逆極性の伝導型のｐボディ領域１１６の上に形成されたエピタキシャル層１０４内に拡散により形成されるので、二重拡散型と呼ばれる（ＭＯＳの前に「Ｄ」を付けてＤＭＯＳと表される）。このトレンチＤＭＯＳトランジスタ２１では、ゲートによる電流制御にトレンチの側壁領域が用いられ、電流は、このトレンチの側壁領域に沿って略縦方向に流れる。前述したように、このトレンチＤＭＯＳトランジスタ２１は、所定の最短の（transverse）シリコン領域を通って流れる電流が最大になるようなパワースイッチングトランジスタとしての使用に適している。
【００１５】
セル領域３１は、基本的なトランジスタ動作を行うために必ずしも六角形である必要はなく、任意の多角形で良い。しかしながら、レイアウトの観点からすると、正方形又は正六角形が最も理想的である。また、トランジスタセルは、図面に示すような閉じた形状以外に、開いた、すなわちストライプ形状であってもよい。種々のトランジスタセルの形状の例は、上述した文献に開示されている。さらに、図１及び基板１００に関連するその他の図には、ドープされた領域及びトレンチが形成されていることにも注意する必要がある。他の層、たとえば絶縁層上を覆う層、ゲート構造及び導電性電極の相互接続部については、説明を簡単にするために省略するが、これらは、当業者にとって周知の技術である。
【００１６】
図２乃至図７は、図１に示すトレンチＤＭＯＳトランジスタ２１を形成するのに実行される各工程を示す図である。まず、図２に示すように、従来通りにｎ＋にドープした基板１００上に、ｎ−にドープしたエピタキシャル層１０４を成長させる。エピタキシャル層１０４の厚さは、３０Ｖデバイスの場合には、一般的に５．５ミクロンである。次に、イオン注入工程及び拡散工程において、ｐボディ領域１１６が形成される。ｐボディ領域１１６のイオン注入は、基板１００全体に一様にされるので、マスクを用いる必要はない。ｐボディ領域１１６は、４０〜６０ｋｅＶ、５．５×１０^１３／ｃｍ^３のドーズ量で、ホウ素が注入されて形成される。
【００１７】
次に、図３に示すように、酸化物層でエピタキシャル層１０４の表面を覆うことによってマスク層が形成され、このマスク層には、周知の露光工程及びパターン成形工程が施されて、マスク部１２０が残される。マスク部１２０は、トレンチ１２４の位置を画定するのに用いられる。トレンチ１２４は、反応性イオンエッチング工程によって、マスク開口部を通して、一般的には、１．５〜２．５ミクロンに及ぶ深さにドライエッチングされる。
【００１８】
次に、図４に示すように、各トレンチの側壁は、平坦化される。本発明に基づいて、この平坦化工程は、トレンチのマスク部１２０が残っている間に行われる。まず、反応性イオンエッチング工程で生じたダメージを取り除くために、ケミカルドライエッチング工程によって、トレンチ側壁から薄い酸化膜（一般的には約５００〜１０００オングストローム）を除去する。次に、トレンチ１２４及びマスク部１２０上に犠牲酸化層１５０である二酸化シリコン膜を成長させる。犠牲酸化層１５０及びマスク部１２０は、トレンチ側壁ができる限り平坦になるように、バッファ酸化物、すなわちバッファードフッ酸（ＨＦ）によるウェットエッチング工程によって除去される。
【００１９】
本発明に基づいて、パターン成形されたトレンチのマスク部１２０を除去する前に、トレンチの形成工程を完了させるので、パターン成形されたトレンチのマスク部１２０がキャップ、すなわちバリアとして機能するため、不純物材料は、ｐボディ領域からにじみ出すことはない。これに対して、前述した米国特許第５，０７２，２６６号に開示された方法では、トレンチマスクが犠牲酸化層成長工程を実施する前に除去されてしまうので、不純物材料は、ｐボディ領域からにじみ出してしまう。したがって、本発明によれば、従来技術における不純物材料のにじみ出しを防止できるので、パンチスルー現象は、低減される。
【００２０】
次に、図５に示すように、ゲート酸化物層１３０は、トレンチ１２４の内壁及びｐボディ領域１１６の表面を覆うように全体的に堆積（deposited）される。ゲート酸化物層１３０の厚さは、一般的には５００〜８００オングストロームである。次に、トレンチ１２４は、ポリシリコン１５２（すなわち多結晶シリコン）で充填される。ポリシリコン１５２の堆積工程の前に、ポリシリコンは、一般的にはリン塩化物でドープされ、又はヒ素若しくはリンがイオン注入されて、抵抗率が２０Ω／ｍに低減される。
【００２１】
次に、図６に示すように、ポリシリコン層１５２をエッチングして、ポリシリコン層１５２の厚さを最適化し、ｐボディ領域１１６の上方を覆う酸化物層１３０を露出させる。次に、フォトレジストマスク工程によって、パターン成形されたマスク層１６０を形成する。パターン成形されたマスク層１６０は、ソース領域１４０を画定する。次に、ソース領域１４０は、イオン注入工程及び拡散工程によって形成される。例えば、ソース領域１４０には、８０ｋｅＶで、一般的には８×１０^１５〜１．２×１０^１６の範囲の濃度までヒ素がイオン注入される。イオン注入の後、ヒ素は、約０．５ミクロンの深さまで拡散される。最後に、マスク層１６０は周知の方法によって除去され、図７に示すような構造体が形成される。
【００２２】
トレンチＤＭＯＳトランジスタでは、その構造体をＢＰＳＧ層で覆い、パターン成形することにより周知の方法で工程が完了し、ゲート電極と関連するＢＰＳＧ領域を画定する。基板１００の底面にはドレインコンタクト層も形成される。最後にパッドマスクを用いてパッドコンタクトを画定する。
【００２３】
図８は、トランジスタの基板の深さ方向における不純物濃度のモデルを示す図であり、本発明の方法に基づいて、トレンチのマスクを除去する前に、トレンチが完全に形成される場合（実線）と、従来技術に基づいて、トレンチが形成される場合（点線）を示している。グラフには、種々の界面の位置が示されている。図８から明らかなように、このモデルは、本発明の製造方法を用いた場合の方がｐボディ領域からの不純物材料のにじみ出しが少ないことを示しており、したがって、パンチスルー現象を低減できるような厚いｐボディ領域を形成することができるという効果を有する。
【００２４】
図９は、トランジスタの基板の深さ方向における不純物濃度を示しており、トレンチをドープトポリシリコンだけで充填した場合（点線）と、トレンチを非ドープトポリシリコンで覆い、続いてドープトポリシリコンで充填した場合（実線）を示す。トレンチを充填した層がドープしたポリシリコンとドープしていないポリシリコンの両方から形成されている方がｐボディ領域１１６の不純物濃度は高く、ｐボディ領域も厚い。
【００２５】
本発明の他の実施の形態に基づいて、２つの工程でトレンチにポリシリコンを充填することによってもパンチスルー現象を低減することができる。第１の工程において、ドープしていないポリシリコンの層がトレンチの側壁を覆うように堆積される。ドープしていないポリシリコン層の後にドープしたポリシリコン層が堆積される。一般的には、ドープトポリシリコン層の厚さは、非ドープトポリシリコン層の厚さより厚い。例えば、ドープトポリシリコン層の厚さと非ドープトポリシリコン層の厚さの比率は、全体の厚さが約８０００オングストロームの場合、７：１である。非ドープトポリシリコン層は、不純物材料がゲート酸化物層を通ってｐボディ領域へにじみ出すことを防止するバッファ層として用いることができるという効果があり、したがってパンチスルー現象をさらに低減できるという効果がある。この２つの工程は、トレンチのマスクを除去する前にトレンチを形成する場合に適用することができる。また、このような２層堆積工程を用いることができて、パンチスルー現象を低減することができる。すなわち、トレンチの形成前にトレンチマスクが除去される場合でも、トレンチは、ポリシリコンのドープしていない層及びドープした層で充填される。
【００２６】
以上、種々の実施の形態によって詳細に説明してきたが本発明はこの実施例に限定されることはない。すなわち、本発明の特許請求の範囲の主旨及び意図から逸脱しない範囲で本発明を変更することができる。例えば、本発明の方法は、種々の半導体領域の導電率が上述したものと逆であるトレンチＤＭＯＳを形成するときにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法に従って構成されたトレンチＤＭＯＳトランジスタの一実施の形態の断面図である。
【図２】本発明の方法に従って、図１のトレンチＤＭＯＳトランジスタを形成する工程を示す図である。
【図３】本発明の方法に従って、図１のトレンチＤＭＯＳトランジスタを形成する工程を示す図である。
【図４】本発明の方法に従って、図１のトレンチＤＭＯＳトランジスタを形成する工程を示す図である。
【図５】本発明の方法に従って、図１のトレンチＤＭＯＳトランジスタを形成する工程を示す図である。
【図６】本発明の方法に従って、図１のトレンチＤＭＯＳトランジスタを形成する工程を示す図である。
【図７】本発明の方法に従って、図１のトレンチＤＭＯＳトランジスタを形成する工程を示す図である。
【図８】トランジスタの基板の深さ方向における不純物濃度のモデルを示す図であり、本発明の方法に基づいて、トレンチのマスクを除去する前に、トレンチが完全に形成される場合（実線）と、従来技術の方法に基づいて、トレンチが形成される場合（点線）を示す図である。
【図９】トランジスタの基板の深さ方向における不純物濃度を示す図であり、トレンチをドープトポリシリコンだけで充填した場合（点線）と、トレンチを非ドープトポリシリコンで覆い、続いてドープトポリシリコンで充填した場合（実線）を示す図である。