JP2005079320A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明の半導体装置は、多結晶シリコンから形成される固定電位絶縁電極と金属層とのオーミック接続性を向上させる素子に関する。 The semiconductor device of the present invention relates to an element that improves ohmic connectivity between a fixed potential insulating electrode formed of polycrystalline silicon and a metal layer.
従来の半導体装置において、ノーマリ・オフ型で、制御性に優れ、低オン抵抗で、スイッチング速度及び動作の信頼性を向上させ、更に微細化、高耐圧化を実現した素子構造が知られている(例えば、特許文献1参照)。 In a conventional semiconductor device, an element structure that is normally off-type, excellent in controllability, low on-resistance, improved switching speed and operation reliability, and further miniaturized and high withstand voltage is known. (For example, refer to Patent Document 1).
図9及び図10を参照して、従来における半導体装置の構造の一例を示す。図9(A)は素子の斜視図であり、図9(B)は上面図である。図10(A)は図9(B)のD−D線方向の断面図であり、図10(B)は図9(B)のE−E線方向の断面図である。 An example of the structure of a conventional semiconductor device is shown with reference to FIGS. FIG. 9A is a perspective view of the element, and FIG. 9B is a top view. 10A is a cross-sectional view in the DD line direction of FIG. 9B, and FIG. 10B is a cross-sectional view in the EE line direction of FIG. 9B.
先ず、図9(A)に示す如く、従来の半導体装置は、N+型の半導体基板51、N+型の半導体基板51上にはN−型のエピタキシャル層52が形成されている。N−型のエピタキシャル層52には、N+型のソース領域54とトレンチ57とが互いに直交するように形成されている。そして、トレンチ57には、その内壁を被覆するように絶縁膜56、高濃度のP+型多結晶シリコン(ポリシリコン)から成る固定電位絶縁電極55が形成されている。尚、固定電位絶縁電極55とソース領域54とは、例えば、アルミニウム(Al)層61(図10参照)がオーミックコンタクトし、両者の電位が同電位に固定されている。また、エピタキシャル層52は主にドレイン領域53として用いられ、エピタキシャル層52の固定電位絶縁電極55に挾まれた領域をチャネル領域58と呼ぶことにする。
First, as shown in FIG. 9A, in the conventional semiconductor device, an N +
そして、固定電位絶縁電極55が高濃度のP+型ポリシリコンであり、チャネル領域58表面に形成されるソース領域54と固定電位絶縁電極55とがAl層61を介して同電位に保たれる。そのため、チャネル領域58には、仕事関数差により、周囲の固定電位絶縁電極55より空乏層が形成される。そして、チャネル領域58には伝導電子に対するポテンシャル障壁が形成され、ソース領域54とドレイン領域53とは初めから電気的に遮断された状態となっている。
The fixed potential
次に、図9(B)に示す如く、固定電位絶縁電極55はストライプ状をしており、その両端はP型のゲート領域59に接している。そして、ゲート領域59表面にはゲート電極Gが形成されており、ゲート領域59からドレイン領域53へ自由キャリア(正孔)を供給する。また、固定電位絶縁電極55間に囲まれたチャネル領域58は、ひとつの単位セルを形成している。尚、チャネルの状態によって電流を遮断、もしくは電流量を制御し得るという条件を満たしていれば、単位セルを構成する固定電位絶縁電極55の形状、ソース領域54の形状などは任意である。
Next, as shown in FIG. 9B, the fixed potential
図10(A)に示す如く、H2をチャネル厚み、L2をチャネル長と呼ぶ。つまり、チャネル厚みH2とは、チャネル領域において対向する絶縁膜56間の間隔であり、チャネル長L2とは、溝の側壁に沿って、ソース領域54の底面から固定電位絶縁電極55の底面までの距離をいう。また、基板51裏面にはAl層60が形成されている。
上述したように、従来における半導体装置では、ドレイン電極Dに正の高電圧を印加し、ソース電極Sを接地した状態で、ゲート電極Gを接地することで、または、ゲート電極Gに負の電圧を印加することで、OFF動作を成す。そして、この半導体装置のOFF動作では、N型のチャネル領域58とP型の固定電位絶縁電極55との仕事関数差によりチャネル領域58が擬似的なP型領域となる。そのことで、ドレイン領域53に正の高電圧が印加され、チャネル領域58が接地状態となることで、擬似的なP型領域となるチャネル領域58とN型領域のドレイン領域3とが逆バイアス状態となり、半導体装置はOFF動作を成す。
As described above, in a conventional semiconductor device, a positive high voltage is applied to the drain electrode D, the source electrode S is grounded, the gate electrode G is grounded, or a negative voltage is applied to the gate electrode G. Is applied to perform the OFF operation. In this semiconductor device OFF operation, the
一方、半導体装置をON動作とするためには、ゲート電極Gに正の電圧を印加し、ゲート領域59から自由キャリア(正孔)を注入し、チャネル領域58をN型領域にする。そして、チャネル領域58およびドレイン領域53では、注入された自由キャリア(正孔)により伝導度変調を起こし、低抵抗状態を成す。つまり、半導体装置はゲート領域59から注入する自由キャリア(正孔)によりON動作、OFF動作を行っているので、ゲート領域59からの自由キャリア(正孔)の注入量により直流信号電流増幅率が左右される。
On the other hand, in order to turn on the semiconductor device, a positive voltage is applied to the gate electrode G, free carriers (holes) are injected from the
しかしながら、従来の半導体装置では、図10(A)及び図10(B)に示す如く、Al層61とオーミック接続する固定電位絶縁電極55の接続表面は、実質、平坦面となるように形成さている。そして、ポリシリコンから成る固定電位絶縁電極55とAl層61とオーミック接続性が良好でない場合には、固定電位絶縁電極55が浮いてしまう。そのことで、固定電位絶縁電極55が、ソース電極Sの電位と同電位に保つことが出来なくなり、半導体装置のOFF動作、つまり、チャネル領域58での空乏層による遮断性が劣化するという問題があった。
However, in the conventional semiconductor device, as shown in FIGS. 10A and 10B, the connection surface of the fixed potential
本発明は、固定電位絶縁電極とAl層とのオーミック接続性を向上させる半導体装置であり、固定電位絶縁電極の接続表面に突起領域を形成し、固定電位絶縁電極とAl層との接触面積を増大させることで、両者のオーミック接続性を向上させ、固定電位絶縁電極をより確実に、ソース領域と同電位に保つことを目的とする。 The present invention is a semiconductor device that improves the ohmic connectivity between a fixed potential insulating electrode and an Al layer, wherein a protruding region is formed on the connection surface of the fixed potential insulating electrode, and the contact area between the fixed potential insulating electrode and the Al layer is increased. The purpose is to improve the ohmic connectivity between the two and increase the fixed potential insulating electrode more reliably at the same potential as the source region.
上述した各事情に鑑みて成されたものであり、本発明の半導体装置では、ドレイン領域を構成する一導電型の半導体層と、実質、等間隔をなして互いに平行となるように、前記半導体層表面から形成された複数のトレンチと、前記トレンチの内壁には絶縁膜が形成され、前記絶縁膜を覆うように前記トレンチ内を充填する逆導電型の多結晶シリコンから成る固定電位絶縁電極と、前記トレンチ間に位置し、前記固定電位絶縁電極と同電位に保たれる一導電型のソース領域と、前記ソース領域と離間され、少なくとも前記絶縁膜とその一部を隣接するように配置されるゲート領域と、前記固定電位絶縁電極間に位置し、少なくとも前記ソース領域の下方に位置するチャネル領域とを具備し、前記多結晶シリコンはその表面で金属層とオーミック接続し、前記多結晶シリコンの接続表面には、突起領域を有していることを特徴とする。従って、本発明の半導体装置では、多結晶シリコンから成る固定電位絶縁電極の接続表面に突起領域を形成することで、固定電位絶縁電極と金属層との接続面積を増大させ、オーミック接続性を向上させることができる。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and in the semiconductor device of the present invention, the semiconductor device is substantially parallel to each other at an equal interval with the one-conductivity-type semiconductor layer constituting the drain region. A plurality of trenches formed from the surface of the layer, and a fixed potential insulating electrode made of reverse-conductivity-type polycrystalline silicon having an insulating film formed on the inner wall of the trench and filling the trench so as to cover the insulating film; A source region of one conductivity type located between the trenches and maintained at the same potential as the fixed potential insulating electrode, spaced from the source region, and disposed so that at least a part of the insulating film is adjacent to the source region. A gate region located between the fixed potential insulating electrodes and at least a channel region located below the source region, and the polycrystalline silicon has an ohmic contact with the metal layer on the surface thereof. It continued, and the connection surface of the polycrystalline silicon is characterized in that it has a projection area. Therefore, in the semiconductor device of the present invention, by forming a protruding region on the connection surface of the fixed potential insulating electrode made of polycrystalline silicon, the connection area between the fixed potential insulating electrode and the metal layer is increased, and the ohmic connectivity is improved. Can be made.
また、本発明の半導体装置では、前記突起領域及び前記突起領域の近傍領域の前記多結晶シリコンには、酸化物質が含有されていることを特徴とする。従って、本発明の半導体装置では、該酸化物質を含有する領域と含有しない領域とのエッチングレート差を利用することで、固定電位絶縁電極の接続表面に突起領域が形成される。 In the semiconductor device of the present invention, the polycrystalline silicon in the projecting region and in the vicinity of the projecting region contains an oxidizing substance. Therefore, in the semiconductor device of the present invention, the protrusion region is formed on the connection surface of the fixed potential insulating electrode by utilizing the etching rate difference between the region containing the oxidizing substance and the region not containing the oxide substance.
また、本発明の半導体装置の製造方法では、一導電型の半導体層を形成する工程と、実質、等間隔をなして互いに平行となるように複数のトレンチを、前記半導体層表面から形成し、該トレンチの内壁を覆うように酸化膜を形成する工程と、前記トレンチに対し複数層の多結晶シリコンを堆積する工程と、前記多結晶シリコンをエッチングし、前記トレンチ内に堆積した前記多結晶シリコン上面に突起領域を形成する工程を有することを特徴とする。従って、本発明の半導体装置の製造方法では、多層の多結晶シリコンをエッチバックし、トレンチ形成領域内の多結晶シリコン表面に突起領域を形成することができる。 In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a step of forming a semiconductor layer of one conductivity type, and forming a plurality of trenches from the surface of the semiconductor layer so as to be substantially parallel to each other at an equal interval, Forming an oxide film so as to cover an inner wall of the trench; depositing a plurality of layers of polycrystalline silicon in the trench; etching the polycrystalline silicon; depositing the polycrystalline silicon in the trench It has the process of forming a protrusion area | region on an upper surface. Therefore, in the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, multilayer polycrystalline silicon can be etched back to form a projection region on the surface of the polycrystalline silicon in the trench formation region.
また、本発明の半導体装置の製造方法では、前記多結晶シリコンを形成する工程では、前記トレンチに対し第1層目の多結晶シリコンを堆積し、該第1層目の多結晶シリコンに逆導電型の不純物を導入した後、第2層目の多結晶シリコンを堆積することを特徴とする。従って、本発明の半導体装置の製造方法では、第1層目の多結晶シリコンに対して、不純物を導入し、該導入された不純物が、第2層目の多結晶シリコンに拡散するので、拡散の為の熱処理時間を短縮することできる。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, in the step of forming the polycrystalline silicon, a first layer of polycrystalline silicon is deposited in the trench, and the first layer of polycrystalline silicon is reversely conductive. After introducing the impurity of the type, the second layer of polycrystalline silicon is deposited. Therefore, in the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, impurities are introduced into the first layer of polycrystalline silicon, and the introduced impurities diffuse into the second layer of polycrystalline silicon. The heat treatment time for this can be shortened.
また、本発明の半導体装置の製造方法では、前記突起領域を形成する工程では、前記シリコン酸化膜を有する領域と多結晶シリコンからなる領域とのエッチングレート差を利用し、前記突起領域を形成することを特徴とする。従って、本発明の半導体装置の製造方法では、第1及び第2の多結晶シリコンにおける酸化膜を含有する領域と酸化膜を含有しない領域とのエッチングレート差を利用し、突起領域を形成することができる。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, in the step of forming the protruding region, the protruding region is formed by using an etching rate difference between the region having the silicon oxide film and the region made of polycrystalline silicon. It is characterized by that. Therefore, in the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the protrusion region is formed by using the etching rate difference between the region containing the oxide film and the region not containing the oxide film in the first and second polycrystalline silicon. Can do.
上述したように、第1に、本発明の半導体装置では、固定電位絶縁電極は、その表面で金属層とオーミックコンタクトしている。そして、固定電位絶縁電極の接続表面には、突起領域が形成されており、該突起領域も金属層とオーミックコンタクトしている。そのことで、本発明の半導体装置では、固定電位絶縁電極と金属層との接続面積を増大でき、オーミックコンタクト性を向上できる。その結果、本発明の半導体装置では、固定電位絶縁電極が確実に接地状態となることで、半導体装置のOFF動作をより確実に成すことができる。 As described above, first, in the semiconductor device of the present invention, the fixed potential insulating electrode is in ohmic contact with the metal layer on the surface thereof. A projecting region is formed on the connection surface of the fixed potential insulating electrode, and the projecting region is also in ohmic contact with the metal layer. Thus, in the semiconductor device of the present invention, the connection area between the fixed potential insulating electrode and the metal layer can be increased, and the ohmic contact property can be improved. As a result, in the semiconductor device of the present invention, the fixed potential insulating electrode is surely grounded, so that the semiconductor device can be turned off more reliably.
第2に、本発明の半導体装置の製造方法では、トレンチ内に多層の多結晶シリコンを積層し、その境界面には、シリコン酸化膜を形成する。そして、トレンチ内に固定電位絶縁電極を形成する際に、多結晶シリコンをエッチバックするが、本発明では、このエッチバックの際に、多結晶シリコンから成る領域とシリコン酸化膜とを含有する領域とのエッチングレート差を利用する。そのことで、本発明では、固定電位絶縁電極の接続表面に突起領域を形成することができる。 Second, in the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, multiple layers of polycrystalline silicon are stacked in a trench, and a silicon oxide film is formed on the boundary surface. Then, when the fixed potential insulating electrode is formed in the trench, the polycrystalline silicon is etched back. In the present invention, the region containing the polycrystalline silicon and the silicon oxide film are included in the etching back. The difference in etching rate is used. Accordingly, in the present invention, a protruding region can be formed on the connection surface of the fixed potential insulating electrode.
第3に、本発明の半導体装置の製造方法では、第1層目の多結晶シリコンを積層した後に、P型不純物を導入し、拡散する。その後、第2層目の多結晶シリコンを積層する。そのことで、第2層目の多結晶シリコンでは、第1層目の多結晶シリコンを拡散源として、不純物を拡散することができる。その結果、第1層目の多結晶シリコンに対し、第2層目の多結晶シリコン表面から熱拡散を行う必要はなく、拡散時間を大幅に短縮できるので、熱処理の合理化を図ることができる。 Thirdly, in the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, after depositing the first layer of polycrystalline silicon, a P-type impurity is introduced and diffused. Thereafter, a second layer of polycrystalline silicon is stacked. As a result, in the second layer of polycrystalline silicon, impurities can be diffused using the first layer of polycrystalline silicon as a diffusion source. As a result, it is not necessary to thermally diffuse the first-layer polycrystalline silicon from the surface of the second-layer polycrystalline silicon, and the diffusion time can be greatly shortened, so that the heat treatment can be rationalized.
第4に、本発明の半導体装置の製造方法では、第3の効果に述べたように、第1層目の多結晶シリコンに、P型不純物を導入した後に、第2層目の多結晶シリコンを堆積する。そのことで、チャネル領域での遮断状態を形成するのに重要である固定電位絶縁電極において、トレンチ内壁に形成された酸化膜近傍の多結晶シリコンのP型不純物濃度を濃くすることができる。その結果、空乏層が確実に形成され、半導体装置のOFF動作をより確実に成すことができる。 Fourth, in the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, as described in the third effect, after introducing a P-type impurity into the first layer of polycrystalline silicon, the second layer of polycrystalline silicon is used. To deposit. As a result, the P-type impurity concentration of polycrystalline silicon in the vicinity of the oxide film formed on the inner wall of the trench can be increased in the fixed potential insulating electrode that is important for forming a blocking state in the channel region. As a result, the depletion layer is reliably formed, and the semiconductor device can be turned off more reliably.
第5に、本発明の半導体装置の製造方法では、第3の効果に述べたように、多結晶シリコン内での拡散深さを縮めることで、熱処理時間を短縮できる。そのことで、固定電位絶縁電極での熱処理工程において、ソース領域、ゲート領域を構成する拡散領域の拡散を抑制できるので、素子の微細化を実現できる。 Fifth, in the semiconductor device manufacturing method of the present invention, as described in the third effect, the heat treatment time can be shortened by reducing the diffusion depth in the polycrystalline silicon. As a result, in the heat treatment process using the fixed potential insulating electrode, diffusion of the diffusion regions constituting the source region and the gate region can be suppressed, so that element miniaturization can be realized.
以下に、本発明における半導体装置及びその製造方法の一実施の形態について、図1〜図8を参照にして詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment of a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
先ず、図1から図4を参照とし、本実施の形態の半導体装置について、以下に説明する。 First, the semiconductor device of this embodiment will be described below with reference to FIGS.
図1(A)は本発明の半導体装置の構造を示す斜視図であり、図1(B)は本発明の半導体装置の構造を示す上面図である。図1(A)に示す如く、N+型の半導体基板1上にはN−型のエピタキシャル層2が堆積されている。このエピタキシャル層2には、等間隔をなして互いに平行な複数のトレンチ7がエピタキシャル層2の表面から形成されている。そして、基板1はドレイン取り出し領域として用いられており、エピタキシャル層2は、主に、ドレイン領域3として用いられる。また、トレンチ7はエピタキシャル層2表面に対して側壁がほぼ垂直にエッチングされ、その内壁には絶縁膜6が形成されている。更に、トレンチ7には、P型不純物が導入された、例えば、多結晶シリコンが堆積されている。そして、詳細は後述するが、トレンチ7内の多結晶シリコンは、エピタキシャル層2表面で、例えば、アルミニウム(Al)を介してソース領域4と電気的に接続されている。そのことで、トレンチ7内のP型の多結晶シリコンは、ソース電極Sと同電位からなる固定電位絶縁電極5として用いられる。一方、複数のトレンチ7間に位置するエピタキシャル層2はチャネル領域8として用いられる。
1A is a perspective view showing the structure of the semiconductor device of the present invention, and FIG. 1B is a top view showing the structure of the semiconductor device of the present invention. As shown in FIG. 1A, an N−
図1(A)及び図1(B)に示す如く、本実施の形態では、ゲート領域9はソース領域4と離間され、且つ絶縁膜6に接するエピタキシャル層2に一定の間隔を置いて複数設けられている。そして、図示の如く、ゲート領域9の長手方向、つまり、Y軸方向に延在し、1つのセルを形成する2本のゲート領域9間には、1本のソース領域4が形成されている。そして、本実施の形態では、ソース領域4は、Y軸方向にゲート領域9とほぼ平行に位置し、それぞれのゲート領域9から等距離に配置される。一方、固定電位絶縁電極5を形成するトレンチ7は、ソース領域4及びゲート領域9と直交する方向に、つまり、X軸方向に延在し、形成されている。そして、トレンチ7の両端はそれぞれゲート領域9とその形成領域の一部を重畳させ、且つ、トレンチ7はY軸方向に一定間隔でゲート領域9間に形成されている。
As shown in FIGS. 1A and 1B, in this embodiment, a plurality of
次に、図2を参照として本発明の半導体装置の断面構造およびその動作について説明する。図2(A)は図1(B)のA−A線方向の断面図であり、図2(B)は図1(B)のB−B線方向の断面図である。 Next, the cross-sectional structure and operation of the semiconductor device of the present invention will be described with reference to FIG. 2A is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1B, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 1B.
図2(A)に示す如く、エピタキシャル層2に関し、主に、ソース領域4の下方に位置し、トレンチ7に囲まれた領域がチャネル領域8であり、矢印H1をチャネル厚み、矢印L1をチャネル長とする。つまり、チャネル厚みH1とは、チャネル領域8において対向する絶縁膜6間の間隔であり、チャネル長L1とは、トレンチ7の側壁に沿って、ソース領域4底面から固定電位絶縁電極5の底面までの距離をいう。また、ドレイン取り出し領域として用いるN+型の基板1の裏面には、例えば、Al層10がオーミックコンタクトしており、このAl層10を介してドレイン電極Dが形成されている。
As shown in FIG. 2A, with respect to the
一方、図2(A)では図示していないが、エピタキシャル層2表面には絶縁層としてのシリコン酸化膜12が形成されている。そして、このシリコン酸化膜12に設けられたコンタクト領域13(図2(B)参照)を介して、Al層11がソース領域4にオーミックコンタクトしている。また、Al層11はコンタクト領域13を介して、固定電位絶縁電極5にもオーミックコンタクトしている。この構造により、上述の如く、固定電位絶縁電極5は接地状態となり、ソース領域4と固定電位絶縁電極5とは同電位に保たれる。また、実質、ソース領域4の下方に位置するチャネル領域8も固定電位絶縁電極5と同電位に保たれる。尚、本実施の形態の半導体装置では、チャネル領域8に形成される空乏層により主電流の導通、遮断を制御するので、その条件を満たしていれば単位セルを構成する固定電位絶縁電極5の形状、ソース領域4の形状などは任意である。
On the other hand, although not shown in FIG. 2A, a silicon oxide film 12 as an insulating layer is formed on the surface of the
図2(B)に示す如く、ゲート領域9上を含めエピタキシャル層2表面にはシリコン酸化膜12が堆積されている。そして、ゲート領域9上には、シリコン酸化膜12に設けられたコンタクト領域14を介して、例えば、Alから成るゲート電極Gが形成されている。尚、図中の破線は固定電位絶縁電極5の存在を示している。そして、図示の如く、断面図および表面図における絶縁膜6の角部は角張って描いてあるが、これらは模式図であり、実際には丸みを帯びていてもよい。すなわち、電界集中を抑制するためにこれら角部に丸みを持たせることは、広く一般に採用されていることである。
As shown in FIG. 2B, a silicon oxide film 12 is deposited on the surface of the
図3(A)は本発明の半導体装置である固定電位絶縁電極の断面図であり、図3(B)は該固定電位絶縁電極の斜視図である。 FIG. 3A is a cross-sectional view of a fixed potential insulated electrode which is a semiconductor device of the present invention, and FIG. 3B is a perspective view of the fixed potential insulated electrode.
図3(A)に示す如く、本実施の形態では、Al層11とオーミックコンタクトする固定電位絶縁電極5の接続表面に突起領域16を有している。この突起領域16の形成方法は、半導体装置の製造方法にて後述するが、図3(B)に示す如く、突起領域16は、トレンチの延在方向と平行に形成されている。そして、コンタクト領域13(図2(B)参照)から露出する領域では、突起領域16は固定電位絶縁電極5の接続表面にほぼ平行に2列形成されている。上述したように、固定電位絶縁電極5はAl層11(図2(A)参照)とオーミックコンタクトするが、その接続表面に形成された突起領域16もAl層11とオーミックコンタクトする。そして、固定電位絶縁電極5の接続領域では、突起領域16が配置されていることで、Al層11と固定電位絶縁電極5との接触面積を増大させることができる。
As shown in FIG. 3A, in the present embodiment, there is a
具体的には、本実施の形態では、固定電位絶縁電極5を構成する多結晶シリコンを積層構造とし、多結晶シリコンの境界面及びその近傍領域に突起領域16が形成される。そして、該境界面には、シリコン酸化膜17が形成されており、シリコン酸化膜17の膜厚は、例えば、5〜20Å程度である。この構造により、突起領域16及び突起領域16が形成されている下部の多結晶シリコンには、シリコン酸化膜17が含有される。そして、本実施の形態では、シリコン酸化膜17が含有される領域と多結晶シリコンから成る領域とのエッチングレート差により、突起領域16は形成されている。
Specifically, in the present embodiment, the polycrystalline silicon constituting the fixed potential insulating
つまり、本実施の形態では、固定電位絶縁電極5の接続領域では、突起領域16によりAl層11との接触面積を増大させることで、ソース領域4と同様に、固定電位絶縁電極5を確実に接地することができる。以下に、図4を用いて説明するが、本実施の形態の半導体装置では、ソース領域4と固定電位絶縁電極5とを同電位とし、更に、チャネル領域8と固定電位絶縁電極5とも、実質、同電位に保つことで、ON動作、OFF動作をコントロールしている。本実施の形態では、Al層11と固定電位絶縁電極5とのオーミックコンタクト性を向上させることで、固定電位絶縁電極5をより確実に接地することができる。その結果、本実施の形態の半導体装置では、上述したように、ON動作、OFF動作を確実に成し、特に、OFF動作におけるチャネル領域8の空乏層による遮断性を向上させることができる。
In other words, in the present embodiment, in the connection region of the fixed potential insulating
また、本実施の形態では、Al層11との接続領域に突起領域16を配置することで、微細な幅のトレンチ7内に形成された多結晶シリコンに対しても、オーミックコンタクト性を向上でき、更に、素子の微細化を実現することができる。
Further, in the present embodiment, by arranging the protruding
尚、本実施の形態では、シリコン酸化膜17が、積層された多結晶シリコンの境界面に配置されている場合に関し、図3(A)、(B)に図示したが、実際には、シリコン酸化膜17が周囲の多結晶シリコンと混在した状態となっているように推測される。
In this embodiment, the case where the
次に、本発明の半導体素子の動作原理を説明する。 Next, the operation principle of the semiconductor element of the present invention will be described.
先ず、半導体素子のOFF動作について説明する。上述したように、半導体素子の電流経路は、ドレイン取り出し領域であるN+型の基板1、N−型のエピタキシャル層2から成るドレイン領域3、トレンチ7間に位置するN−型のチャネル領域8およびN+型のソース領域4とから構成される。つまり、全ての領域がN型領域から構成されており、一見、ドレイン電極Dに正の電圧を印加し、ソース電極Sを接地した状態で動作させるとOFF動作を成すことができないようにみられる。
First, the OFF operation of the semiconductor element will be described. As described above, the current path of the semiconductor element includes the N +
しかしながら、上述の如く、ソース領域4及びチャネル領域8から成るN型領域と固定電位絶縁電極5であるP型領域とはAl層11を介して接続され、同電位となっている。そのため、固定電位絶縁電極5周辺のチャネル領域8では、P+型のポリシリコンとN−型のエピタキシャル層2との仕事関数差により、固定電位絶縁電極5を囲むように空乏層が広がる。つまり、固定電位絶縁電極5を形成するトレンチ7間の幅、つまり、チャネル厚みH1を調整することで、両側の固定電位絶縁電極5から延びる空乏層によりチャネル領域8は埋め尽くされることとなる。詳細は後述するが、この空乏層で埋め尽くされたチャネル領域8は、擬似的なP型領域となっている。
However, as described above, the N-type region composed of the source region 4 and the
この構造により、N−型のドレイン領域3とN+型のソース領域4とを擬似的なP型領域であるチャネル領域8によって、PN接合分離することができる。つまり、本発明の半導体装置は、チャネル領域8に擬似的なP型領域を形成することで、初めから遮断状態(OFF状態)となっている。また、半導体装置がOFF時では、ドレイン電極Dには正の電圧が印加され、ソース電極Sが接地され、ゲート電極Gが接地状態であるか、又は、ゲート電極Gに負の電位が印加されている。このとき、擬似的なP型領域であるチャネル領域8とN型領域であるドレイン領域3との境界面には、逆バイアスが印加されることで紙面下方向に空乏層が形成される。そして、この空乏層の形成状態は半導体装置の耐圧特性を左右する。
With this structure, the N−
ここで、図4を参照とし、上述した擬似的なP型領域について以下に説明する。図4(A)はOFF時のチャネル領域8でのエネルギーバンド図を示しており、図4(B)はOFF時のチャネル領域8に形成された空乏層を模式的に表した図である。固定電位絶縁電極5であるP+型のポリシリコン領域とチャネル領域8であるN−型のエピタキシャル層2領域とは絶縁膜6を介して対峙している。そして、両者はエピタキシャル層2表面でAl層11を介して同電位に保たれている。そのことで、トレンチ7周辺部には、両者の仕事関数差により空乏層が形成され、さらに空乏層内にわずかに存在する少数の自由キャリア(正孔)によりP型領域となる。
Here, the pseudo P-type region described above will be described below with reference to FIG. FIG. 4A shows an energy band diagram in the
具体的には、Al層11を介してP+型のポリシリコン領域とN−型のエピタキシャル層2領域とを同電位にすると、図4(A)に示す如くエネルギーバンド図が形成される。先ず、P+型のポリシリコン領域において、絶縁膜6界面では価電子帯が負の傾斜により形成されており、自由キャリア(正孔)に対しては絶縁膜6の界面はポテンシャルエネルギーが高いことを示している。つまり、P+型のポリシリコン領域の自由キャリア(正孔)は絶縁膜6界面に存在することができず、絶縁膜6から離れる方向に追いやられる。その結果、P+型のポリシリコン領域の絶縁膜6界面にはイオン化アクセプタから成る負電荷が取り残される状態となる。そして、P+型のポリシリコン領域の絶縁膜6界面にイオン化アクセプタから成る負電荷が存在する。そのことで、N−型のエピタキシャル層2領域では、このイオン化アクセプタから成る負電荷と対となるイオン化ドナーから成る正電荷が必要となる。そのため、チャネル領域8は絶縁膜6界面から空乏層化していくこととなる。
Specifically, when the P + type polysilicon region and the N−
しかしながら、チャネル領域8の不純物濃度は1E14(/cm3)程度、厚みは0.8〜1.4μm程度であるため、チャネル領域8は、固定電位絶縁電極5から広がり出した空乏層で完全に占有されることとなる。実際には、チャネル領域8が空乏層化しただけではイオン化アクセプタと釣合うだけの正電荷を確保できないため、チャネル領域8内には少数の自由キャリア(正孔)も存在するようになる。そのことで、図示の如く、P+型のポリシリコン領域内のイオン化アクセプタとN−型のエピタキシャル層2内の自由キャリア(正孔)またはイオン化ドナーとが対となり電界を形成する。その結果、絶縁膜6界面から形成された空乏層はP型領域となり、この空乏層で満たされたチャネル領域8はP型の領域となる。
However, since the impurity concentration of the
次に、半導体素子のOFF動作からON動作へと転じる状態について説明する。先ず、ゲート電極Gに接地状態から正の電圧を印加する。このとき、ゲート領域9からは自由キャリア(正孔)が導入されるが、上述の如く、自由キャリア(正孔)はイオン化アクセプタにひかれて絶縁膜6界面に流れ込む。そして、チャネル領域8の絶縁膜6界面に自由キャリア(正孔)が充填されることで、P+型のポリシリコン領域内のイオン化アクセプタと自由キャリア(正孔)のみで対となり電界を形成する。そのことで、チャネル領域8での絶縁膜6と最も遠い領域、つまり、チャネル領域8中央領域から、自由キャリア(電子)が存在するようになり、中性領域が出現する。その結果、チャネル領域8の空乏層が減退し、中央領域からチャネルが開き、ソース領域4からドレイン領域3へ自由キャリア(電子)が移動し、主電流が流れる。
Next, a state where the semiconductor element changes from the OFF operation to the ON operation will be described. First, a positive voltage is applied to the gate electrode G from the ground state. At this time, free carriers (holes) are introduced from the
つまり、自由キャリア(正孔)は、トレンチ7壁面を通路として瞬時に行き渡り、固定電位絶縁電極5からチャネル領域8へと広がる空乏層は後退し、チャネルが開くのである。更に、ゲート電極Gに所定値以上の電圧が印加されると、ゲート領域9とチャネル領域8ならびにドレイン領域3の形成するPN接合が順バイアスとなる。そして、自由キャリア(正孔)がチャネル領域8ならびにドレイン領域3に直接注入される。その結果、チャネル領域8ならびにドレイン領域3に自由キャリア(正孔)が多く分布することで伝導度変調が起こり、主電流は低いオン抵抗で流れるようになる。
That is, free carriers (holes) instantaneously spread through the wall surface of the
最後に、半導体素子のON時からOFF時へと転じる状態について説明する。半導体素子をターン・オフするためには、ゲート電極Gの電位を接地状態(0V)、もしくは負電位にする。するとドレイン領域3およびチャネル領域8に大量に存在していた自由キャリア(正孔)は消滅するか、もしくはゲート領域9を通して素子外に排除される。そのことで、再びチャネル領域8は空乏層で満たされ、再び擬似的なP型領域となり、耐圧を維持し、主電流は止まる。
Finally, a state where the semiconductor element turns from ON to OFF will be described. In order to turn off the semiconductor element, the potential of the gate electrode G is set to the ground state (0 V) or a negative potential. Then, a large amount of free carriers (holes) present in the
次に、図5から図8を参照とし、本実施の形態の半導体装置の製造方法について、以下に説明する。尚、以下の説明では、図1に示した半導体装置の構造で説明した各構成要素と同じ構成要素には同じ符番を付すこととする。 Next, with reference to FIGS. 5 to 8, a method for manufacturing the semiconductor device of the present embodiment will be described below. In the following description, the same components as those described in the structure of the semiconductor device shown in FIG.
先ず、図5は、図1(B)のC−C線方向の断面図であり、ゲート領域9を構成するP型の拡散領域を形成する。N+型の半導体基板1を準備し、その基板1をエピタキシャル成長装置のサセプタ上に配置する。そして、ランプ加熱によって基板1に、例えば、1000℃程度の高温を与えると共に反応管内にSiH2Cl2ガスとH2ガスを導入する。そのことにより、基板1上にN−型のエピタキシャル層2を成長させる。
First, FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line C-C in FIG. 1B, and a P-type diffusion region constituting the
そして、ゲート領域9を構成するP型の拡散領域を形成する。エピタキシャル層2表面に、公知のフォトリソグラフィ技術により、P型の拡散領域を形成する部分に開口部が設けられたシリコン酸化膜を選択マスクとして形成する。そして、P型不純物、例えば、ホウ素(B)を加速電圧60keV、導入量5.0×1015/cm2程度でイオン注入し、拡散する。
Then, a P type diffusion region constituting the
次に、図6は、図1(B)のA−A線方向の断面図であり、ソース領域4を構成するN型の拡散領域を形成する。エピタキシャル層2表面に、公知のフォトリソグラフィ技術により、N+型の拡散領域を形成する部分に開口部が設けられたフォトレジストを選択マスクとして形成する。そして、N型不純物、例えば、リン(P)を加速電圧120keV、導入量5.0×1015/cm2程度でイオン注入し、拡散する。その後、フォトレジストを除去する。
Next, FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 1B, in which an N-type diffusion region constituting the source region 4 is formed. On the surface of the
次に、図7は、図1(B)のA−A方向の断面図であり、トレンチ7を形成し、多結晶シリコンを積層する。先ず、図7(A)に示す如く、エピタキシャル層2の表面にシリコン酸化膜(図示せず)を全面に堆積する。そして、公知のフォトリソグラフィ技術によりトレンチ7を形成する部分に開口部が設けられるよう選択的にシリコン酸化膜を除去する。そして、例えば、完全異方性のドライエッチングにより、エピタキシャル層2表面からトレンチ7を形成する。その後、マスクとして使用したシリコン酸化膜を除去した後、シリコン表面を熱酸化し、シリコン表面に絶縁膜6を形成する。
Next, FIG. 7 is a cross-sectional view in the AA direction of FIG. 1B, in which a
次に、例えば、CVD法により、エピタキシャル層2の上面及びトレンチ7内壁に、例えば、第1層目の多結晶シリコン21を堆積する。この工程では、第1層目の多結晶シリコン21をトレンチ7内壁の絶縁膜6から、例えば、5000Å程度の厚みを有するように、堆積する。その後、多結晶シリコン21に対し、多量のP型不純物、例えば、ホウ素(B)を導入し、拡散する。
Next, for example, a first layer of
次に、図7(B)に示す如く、例えば、ホウ素(B)が拡散されている第1層目の多結晶シリコン21上面に、CVD法により、第2層目の多結晶シリコン22を、例えば、14000Å程度、堆積する。
Next, as shown in FIG. 7B, for example, a second layer of
このとき、本実施の形態では、第1層目の多結晶シリコン21に対し、ホウ素(B)を導入し、拡散する工程と、CVD法により、第2層目の多結晶シリコン22を堆積する工程との間に、基板1をそれぞれの装置間を移動させる。そして、この移動時には、第1層目の多結晶シリコン21は、大気中に曝され、その表面には、例えば、5〜20Å程度の、薄膜から成るシリコン酸化膜17が形成される。つまり、第2層目の多結晶シリコン22は、第1層目の多結晶シリコン21表面に形成されるシリコン酸化膜17を覆うように形成される。尚、本実施の形態では、シリコン酸化膜17を5〜20Å程度形成する場合について説明したが、この場合に限定する必要は無い。本実施の形態では、後述するP型不純物が、第2層目の多結晶シリコン22に拡散する程度の膜厚であれば、採用することができる。
At this time, in the present embodiment, boron (B) is introduced and diffused into the first layer of
そのことで、トレンチ7内を含め、基板1上面には、シリコン酸化膜17を介して第1層目の多結晶シリコン21と第2層目の多結晶シリコン22とが、2層積層構造により形成される。
As a result, the first-
そして、本実施の形態では、第1層目の多結晶シリコン21を積層した後に、P型不純物、例えば、ホウ素(B)を導入し、拡散し、その上面を覆うように、第2層目の多結晶シリコン22を積層する。そのことで、第2層目の多結晶シリコン22では、不純物の導入工程を省略でき、第1層目の多結晶シリコン21を拡散源として、P型不純物、例えば、ホウ素(B)を拡散することができる。
In the present embodiment, after the first-
更に、本実施の形態では、トレンチ7内の多結晶シリコンに、P型不純物、例えば、ホウ素(B)を導入し、拡散するが、第1層目の多結晶シリコン21積層後に、不純物を導入し、拡散する。そのことで、第2層目の多結晶シリコン22の上面から、P型不純物、例えば、ホウ素(B)を導入し、第1層目の多結晶シリコン21内まで拡散させる必要が無い。その結果、第1及び第2層目の多結晶シリコン21、22内に不純物を拡散させる熱処理時間を短縮することができる。そして、熱処理時間の短縮により、ソース領域4、ゲート領域9等の拡散領域の広がりを抑制することができるので、素子の微細化を実現できる。
Further, in the present embodiment, a P-type impurity, for example, boron (B) is introduced and diffused into the polycrystalline silicon in the
更に、本実施の形態では、第1層目の多結晶シリコン21に対して、P型不純物、例えば、ホウ素(B)を導入することで、チャネル領域8の遮断性に起因する酸化膜6近傍の多結晶シリコンを高濃度領域とすることができる。そのことで、半導体装置のOFF動作時に、固定電位絶縁電極5から空乏層を確実に形成できるので、チャネル領域8での遮断性を向上させることができる。
Further, in the present embodiment, by introducing a P-type impurity such as boron (B) into the first-
次に、図8は、図1(B)のA−A方向の断面図であり、図示の如く、第2層目の多結晶シリコン22表面をエッチバックし、固定電位絶縁電極5を形成する。本実施の形態では、先ず、例えば、SF6+He系のエッチャントを用いたドライエッチングを行い、その後、HBr+HCl系のエッチャントを用いたドライエッチングを行うことで、第1及び第2の多結晶シリコン21、22を選択的に除去する。
Next, FIG. 8 is a cross-sectional view in the AA direction of FIG. 1 (B). As shown in the figure, the surface of the second-
このとき、本実施の形態では、先ず、上述したSF6+He系のエッチャントにより、一定時間エッチバックし、その後、HBr+HCl系のエッチャントにより、終点検出方式のエッチバックを行う。そして、SF6+He系のエッチャントを用いたエッチバックでは、エッチング時間の短縮を目的としており、HBr+HCl系のエッチャントを用いたエッチバックでは、終点検出の他に、突起領域16の形成を行う。特に、HBr+HCl系のエッチャントを用いた場合、多結晶シリコンは1分間に3000Å程度エッチバックされ、シリコン酸化膜は1分間に120Å程度エッチバックされる。
At this time, in this embodiment, first, the above-described SF 6 + He-based etchant is used to etch back for a certain period of time, and then an endpoint detection type etch-back is performed using an HBr + HCl-based etchant. The etch back using the SF 6 + He-based etchant aims to shorten the etching time. In the etch-back using the HBr + HCl-based etchant, the protruding
本実施の形態では、このエッチャント特性により、シリコン酸化膜17が含有された領域と多結晶シリコン21、22からのみ成る領域では、そのエッチングレートに差が生じる。例えば、上述のHBr+HCl系のエッチャントに対し、シリコン酸化膜17を含有する領域のエッチングレートは、120Å程度であり、一方、多結晶シリコンから成る領域のエッチングレートは、3000Å程度である。そのことで、本実施の形態では、上述したエッチングレート差により、シリコン酸化膜17を含有する領域のエッチバックが遅行し、固定電位絶縁電極5の表面には、突起領域16が形成される。
In the present embodiment, due to this etchant characteristic, there is a difference in the etching rate between the region containing the
その後、後工程の熱拡散工程を利用して、第1層目の多結晶シリコン21内に導入されたP型不純物が、第2層目の多結晶シリコン22内へと拡散され、固定電位絶縁電極5全体に分布する。そして、固定電位絶縁電極5を構成する多結晶シリコン内の不純物濃度は、例えば、1.0E20(/cm3)程度となるように、第1層目の多結晶シリコン21には、不純物の導入が行われる。尚、本実施の形態では、シリコン酸化膜22の膜厚は、5〜20Å程度であるため、不純物は、第1層目の多結晶シリコン21から
第2層目の多結晶シリコン22へと拡散する。
Thereafter, the P-type impurity introduced into the first layer of
その後、Al層10、11、15、シリコン酸化膜層12、コンタクト領域13、14等を形成し、図1及び図2に示した半導体装置が完成する。 Thereafter, Al layers 10, 11, 15, silicon oxide film layer 12, contact regions 13, 14 and the like are formed, and the semiconductor device shown in FIGS. 1 and 2 is completed.
尚、本実施の形態では、例えば、固定電位絶縁電極はシリコン酸化膜を介して2層構造の場合について説明したが、この場合に限定する必要はない。例えば、多結晶シリコンを多層構造とし、その境界面にシリコン酸化膜を形成し、突起領域を多数列形成することも出来る。また、本実施の形態では、ソース領域、ゲート領域を形成した後にトレンチを形成する場合について説明したが、この場合に限定する必要はない。例えば、トレンチを形成した後に、ゲート領域、ソース領域を形成する場合でも良い。 In the present embodiment, for example, the case where the fixed potential insulating electrode has a two-layer structure with a silicon oxide film interposed therebetween is described, but it is not necessary to limit to this case. For example, it is possible to form a multi-layer structure of polycrystalline silicon, form a silicon oxide film on the boundary surface, and form a plurality of protruding regions. In this embodiment mode, the trench is formed after the source region and the gate region are formed. However, the present invention is not limited to this case. For example, the gate region and the source region may be formed after the trench is formed.
更に、本実施の形態では、上述した半導体装置の構造に限定する必要は無い。例えば、縦型MOSトランジスタにおいて、トレンチ内に多結晶シリコンが堆積され、ゲート電極を構成する場合においても、該ゲート電極が金属層とオーミックコンタクトする領域に突起領域を形成することで、同様な効果を得ることができる。また、IGBT素子においても、同様である。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。 Furthermore, in this embodiment, it is not necessary to limit to the structure of the semiconductor device described above. For example, in a vertical MOS transistor, even when polycrystalline silicon is deposited in a trench to form a gate electrode, a similar effect can be obtained by forming a protruding region in a region where the gate electrode is in ohmic contact with the metal layer. Can be obtained. The same applies to the IGBT element. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
1 基板
2 エピタキシャル層
3 ドレイン領域
4 ソース領域
5 固定電位絶縁電極
6 絶縁膜
7 トレンチ
8 チャネル領域
9 ゲート領域
10 Al層
11 Al層
12 シリコン酸化膜
13 コンタクト領域
14 コンタクト領域
15 Al層
16 突起領域
17 シリコン酸化膜
21 第1層目の多結晶シリコン
22 第2層目の多結晶シリコン
DESCRIPTION OF
Claims (12)
実質、等間隔をなして互いに平行となるように、前記半導体層表面から形成された複数のトレンチと、
前記トレンチの内壁には絶縁膜が形成され、前記絶縁膜を覆うように前記トレンチ内を充填する逆導電型の多結晶シリコンから成る固定電位絶縁電極と、
前記トレンチ間に位置し、前記固定電位絶縁電極と同電位に保たれる一導電型のソース領域と、
前記ソース領域と離間され、少なくとも前記絶縁膜とその一部を隣接するように配置されるゲート領域と、
前記固定電位絶縁電極間に位置し、少なくとも前記ソース領域の下方に位置するチャネル領域とを具備し、
前記多結晶シリコンはその表面で金属層とオーミック接続し、前記多結晶シリコンの接続表面には、突起領域を有していることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor layer of one conductivity type constituting the drain region;
A plurality of trenches formed from the surface of the semiconductor layer so as to be substantially parallel to each other at regular intervals;
An insulating film is formed on the inner wall of the trench, and a fixed potential insulating electrode made of reverse conductivity type polycrystalline silicon filling the trench so as to cover the insulating film,
A source region of one conductivity type located between the trenches and maintained at the same potential as the fixed potential insulating electrode;
A gate region that is spaced apart from the source region and is disposed adjacent to at least the insulating film and a portion thereof;
A channel region located between the fixed potential insulating electrodes and at least below the source region;
The polycrystalline silicon is in ohmic contact with a metal layer on the surface thereof, and the connection surface of the polycrystalline silicon has a protruding region.
前記半導体層の主表面に露出する電流通過領域及び制御領域と、
前記主表面上で、前記電流通過領域及び前記制御領域のそれぞれとオーミック接続する金属層とを具備し、
前記制御領域は多結晶シリコンから成り、該多結晶シリコンの接続表面には、突起領域を有していることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor layer to be an element formation region;
A current passing region and a control region exposed on the main surface of the semiconductor layer;
A metal layer in ohmic contact with each of the current passing region and the control region on the main surface;
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the control region is made of polycrystalline silicon, and a connection region of the polycrystalline silicon has a protruding region.
実質、等間隔をなして互いに平行となるように複数のトレンチを、前記半導体層表面から形成し、該トレンチの内壁を覆うように酸化膜を形成する工程と、
前記トレンチに対し複数層の多結晶シリコンを堆積する工程と、
前記多結晶シリコンをエッチングし、前記トレンチ内に堆積した前記多結晶シリコン上面に突起領域を形成する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a semiconductor layer of one conductivity type;
Forming a plurality of trenches from the surface of the semiconductor layer so as to be substantially parallel to each other at regular intervals, and forming an oxide film so as to cover an inner wall of the trench;
Depositing multiple layers of polycrystalline silicon on the trench;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: etching the polycrystalline silicon to form a protruding region on the upper surface of the polycrystalline silicon deposited in the trench.
前記金属層を形成する工程では、前記突起領域と前記金属層とをオーミック接続させることを特徴とする請求項8から請求項11のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。 Connecting the surface of the polycrystalline silicon filling the trench and the surface of the source region of one conductivity type with a metal layer,
12. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein in the step of forming the metal layer, the protruding region and the metal layer are ohmically connected.
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