JP2005347565A - Semiconductor device and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、半導体基板の表面領域に埋め込まれた絶縁領域を素子耐圧部として用いる半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device using an insulating region embedded in a surface region of a semiconductor substrate as an element breakdown voltage portion and a method for manufacturing the same.
近年、トレンチゲートMOSFET(絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)やトレンチ横型デバイスのように、半導体基板に形成されたトレンチ自体を機能素子として用いたデバイスが注目されている。このようなデバイスの一つとして、シリコン半導体基板に形成された20μm程度の深さのトレンチを酸化物で埋め込むことにより立体構造の絶縁領域を形成し、その絶縁領域の外周を延長ドレイン領域として利用したものが公知である(例えば、特許文献1参照。)。 In recent years, devices using a trench itself formed in a semiconductor substrate as a functional element, such as a trench gate MOSFET (insulated gate field effect transistor) and a trench lateral device, have attracted attention. As one of such devices, a three-dimensional insulating region is formed by embedding a trench having a depth of about 20 μm formed in a silicon semiconductor substrate with an oxide, and the outer periphery of the insulating region is used as an extended drain region. Is known (for example, see Patent Document 1).
上述したデバイスでは、従来の横型MOSFETのように半導体基板の表面に素子が形成されるのではなく、トレンチの周囲に素子が作り込まれるので、素子寸法の低減が可能であり、低オン抵抗化を図ることができるという利点がある。また、パワー素子部が半導体基板の片面に作製されるので、パワー素子と制御用ICとを一体化した高機能デバイスを作製することができるという利点がある。通常のIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)やMOSFET等のパワー素子では、半導体基板の表面と裏面の両方に電極が形成されるため、制御用ICとの一体化は困難である。 In the device described above, the element is not formed on the surface of the semiconductor substrate as in the conventional lateral MOSFET, but the element is formed around the trench, so that the element size can be reduced and the on-resistance can be reduced. There is an advantage that can be achieved. Further, since the power element portion is manufactured on one side of the semiconductor substrate, there is an advantage that a high-functional device in which the power element and the control IC are integrated can be manufactured. In a power element such as a normal IGBT (insulated gate bipolar transistor) or MOSFET, electrodes are formed on both the front surface and the back surface of the semiconductor substrate, so that integration with a control IC is difficult.
次に、上述したデバイスの従来の製造方法について説明する。図20〜図23は、従来のトレンチ自体を機能素子として用いた半導体装置の製造途中の構造を示す縦断面図である。これらの図には、例えばトレンチエッチング用レジストマスクのマスクパターンを示す図7において、A−A’線に相当する断面における半導体装置の構造が示されている。ただし、図が煩雑になるのを避けるため、トレンチを二つだけ示した。 Next, a conventional method for manufacturing the above-described device will be described. 20 to 23 are longitudinal sectional views showing structures in the process of manufacturing a semiconductor device using a conventional trench itself as a functional element. These drawings show the structure of the semiconductor device in a cross section corresponding to the line A-A ′ in FIG. 7 showing a mask pattern of a resist mask for trench etching, for example. However, only two trenches are shown in order to avoid the figure becoming complicated.
まず、図20に示すように、シート抵抗が100Ωcm程度であるp型のシリコン半導体基板1の表面に、熱酸化により800nmの厚さの熱酸化膜を形成する。そして、この熱酸化膜上にフォトレジストを塗布した後、図示しないマスクを用いて露光および現像を行ってレジストマスク3を形成する。
First, as shown in FIG. 20, a thermal oxide film having a thickness of 800 nm is formed by thermal oxidation on the surface of a p-type
このレジストマスク3は、図20において図面に平行な方向(以下、Y方向とする)の長さが1.4μmである複数の島状領域を1.4μm間隔で配置したパターンを有する。このレジストマスク3をマスクとし、CHF3とCF4とArの混合ガスを用いて異方性ドライエッチングを行い、熱酸化膜の一部を除去してハードマスク4を形成する。
This
ついで、図21に示すように、ハードマスク4をマスクとし、Cl2とO2の混合ガスを用いて異方性ドライエッチングを行い、図21において図面に垂直な方向(以下、X方向とする)の長さが20μmであり、かつ深さ方向(以下、Z方向とする)の長さが20μmである複数のトレンチ6を形成する。つづいて、CF4とO2の混合ガスを用いて等方性エッチングを行い、トレンチエッチング時に生成したトレンチ側壁の保護膜を除去するとともに、トレンチ角部を丸める。
Next, as shown in FIG. 21, anisotropic dry etching is performed using the
このときに、隣り合うトレンチ6間に残る半導体部分(以下、シリコン柱とする)5の上端の幅がおおよそ1.4μmとなるように調整する。また、トレンチ6の幅がトレンチの開口端から底に向かって狭くなるように、トレンチ側壁の角度が基板表面に対して89°程度で傾いているのが望ましい。
At this time, the width of the upper end of a semiconductor portion (hereinafter referred to as a silicon pillar) 5 remaining between
つづいて、図21において図面の手前側上方から奥側下方に向かって斜め方向にリンイオンを注入する。さらに、図21において図面の奥側上方から手前側下方に向かって斜め方向にリンイオンを注入する。この2回のイオン注入の方向と基板表面の法線方向(すなわち、トレンチ6の側面)とのなす角は、おおよそ+44°と−44°である。また、イオン注入量は、例えば1×1012cm-2である。 Subsequently, in FIG. 21, phosphorus ions are implanted in an oblique direction from the upper front side to the lower rear side of the drawing. Further, in FIG. 21, phosphorus ions are implanted in an oblique direction from the upper rear side to the lower front side of the drawing. The angle formed by the two ion implantation directions and the normal direction of the substrate surface (that is, the side surface of the trench 6) is approximately + 44 ° and −44 °. The ion implantation amount is, for example, 1 × 10 12 cm −2 .
つづいて、基板表面に対して垂直な方向、すなわちトレンチ6の底面に対して90°の方向からリンイオンを注入する。このイオン注入では、トレンチ6の底部にのみリンイオンが注入される。このときのイオン注入量を例えば7×1011cm-2にすれば、n-オフセットドレイン領域の周囲におけるリンイオンの表面濃度を均一にすることができる。つづいて、リンイオンの拡散深さxjが例えば5μm程度になるようにドライブを行い、n-オフセットドレイン領域を形成する。
Subsequently, phosphorus ions are implanted from a direction perpendicular to the substrate surface, that is, a direction of 90 ° with respect to the bottom surface of the
ついで、図22に示すように、1100℃で10時間程度、水蒸気雰囲気に半導体基板1を曝して、シリコン柱5を完全に酸化する。この酸化処理によってシリコン柱5は、すべてシリコン酸化物(以下、これをシリコン酸化柱とする)となる。その際、シリコンがシリコン酸化物となるときの膨張により、隣り合うシリコン酸化柱は、互いの間にあるトレンチ6を完全に埋めて一体化する。また、両端にあるシリコン酸化柱は、それぞれ、自らの膨張と、その外側にある半導体基板1の酸化による膨張によって、その間にあるトレンチ6を完全に埋める。
Next, as shown in FIG. 22, the
最後に、図23に示すように、シリコン表面のシリコン酸化物をCMP(化学機械研磨)により除去する。このようにして、Y方向に長い酸化物バルク7が半導体基板1に埋め込まれた状態となる。ついで、半導体基板1に周知の方法により種々の半導体領域や電極等を形成する。
Finally, as shown in FIG. 23, the silicon oxide on the silicon surface is removed by CMP (chemical mechanical polishing). Thus, the oxide bulk 7 that is long in the Y direction is embedded in the
図24は、上述した製造方法を適用して製造される横型の高耐圧トレンチパワーMOSFETの構造を示す縦断面図である。図24において、符号11は、p半導体層であり、上述した従来の製造方法の説明における半導体基板1に相当する。また、符号12は、pウェル層である。符号13は、nウェル層である。符号14は、n-オフセットドレイン領域である。
FIG. 24 is a longitudinal sectional view showing the structure of a lateral type high withstand voltage trench power MOSFET manufactured by applying the manufacturing method described above. In FIG. 24,
符号15は、一様な絶縁領域であり、上述した従来の製造方法の説明における酸化物バルク7に相当する。符号16は、pチャネル領域である。符号17は、ソース領域となるn+半導体領域である。符号18は、ドレイン領域となるn+半導体領域である。符号19は、ゲート絶縁膜である。符号20は、ゲート電極である。符号21は、ソース電極である。符号22は、ドレイン電極である。実際に上述した製造方法に従って製造されたトレンチ横型MOSFETの耐圧値は、510Vであった。
しかしながら、上述したようにして製造された従来の半導体装置では、図25にその電位分布とブレークダウンポイント(丸印で囲む部分)を示すように、表面近くの電界強度が高くなる傾向にあるため、表面近傍に設けられたゲート部やドレイン部により耐圧が律則されてしまうことが多い。耐圧をより高くするには、絶縁領域15の底部の延長オフセットドレイン領域(n-オフセットドレイン領域)14に電気力線を導いて電位分布を改善し、表面近くの電界強度を緩和する必要がある。
However, in the conventional semiconductor device manufactured as described above, the electric field strength near the surface tends to increase as shown in FIG. 25 with its potential distribution and breakdown point (portion surrounded by a circle). In many cases, the breakdown voltage is regulated by the gate or drain provided near the surface. In order to increase the breakdown voltage, it is necessary to improve the potential distribution by introducing electric lines of force to the extended offset drain region (n − offset drain region) 14 at the bottom of the
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、半導体基板の表面領域に埋め込まれた絶縁領域を素子耐圧部として用いる半導体装置において、素子の表面近くの電界強度を緩和することによって、高い耐圧特性を有する半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。 In order to eliminate the above-described problems caused by the prior art, the present invention reduces the electric field strength near the surface of the element in the semiconductor device using the insulating region embedded in the surface region of the semiconductor substrate as the element withstand voltage portion. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device having high breakdown voltage characteristics and a method for manufacturing the same.
上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項1の発明にかかる半導体装置は、半導体基板の表面上に互いに離れて設けられた第1の電極および第2の電極と、前記半導体基板の、前記第1の電極と前記第2の電極との間の表面領域に埋め込まれた絶縁領域と、前記絶縁領域中に設けられた1以上のスリットと、を備え、前記スリットは、前記絶縁領域を構成する材料よりも小さい誘電率を有することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a semiconductor device according to a first aspect of the present invention includes a first electrode and a second electrode which are provided apart from each other on a surface of a semiconductor substrate, and the semiconductor substrate. An insulating region embedded in a surface region between the first electrode and the second electrode, and one or more slits provided in the insulating region, wherein the slit comprises the insulating material. It has a smaller dielectric constant than the material constituting the region.
請求項2の発明にかかる半導体装置は、請求項1に記載の発明において、前記スリットの幅は、1μm以下であることを特徴とする。 A semiconductor device according to a second aspect of the present invention is the semiconductor device according to the first aspect, wherein the slit has a width of 1 μm or less.
請求項3の発明にかかる半導体装置は、請求項2に記載の発明において、前記スリットの幅は、0.1μm以上であることを特徴とする。 A semiconductor device according to a third aspect of the present invention is the semiconductor device according to the second aspect, wherein the slit has a width of 0.1 μm or more.
請求項4の発明にかかる半導体装置は、請求項1〜3のいずれか一つに記載の発明において、前記スリット内は、高真空状態であることを特徴とする。 A semiconductor device according to a fourth aspect of the present invention is the semiconductor device according to any one of the first to third aspects, wherein the slit is in a high vacuum state.
請求項5の発明にかかる半導体装置は、請求項1〜3のいずれか一つに記載の発明において、前記スリット内は、前記絶縁領域を構成する材料よりも小さい誘電率を有する材料で満たされていることを特徴とする。 A semiconductor device according to a fifth aspect of the present invention is the semiconductor device according to any one of the first to third aspects, wherein the slit is filled with a material having a dielectric constant smaller than a material constituting the insulating region. It is characterized by.
請求項6の発明にかかる半導体装置は、請求項1〜5のいずれか一つに記載の発明において、前記スリットを含み、かつ前記スリットに平行な断面における前記絶縁領域の、前記半導体基板と接する部分の厚さは、1μm以上であることを特徴とする。 A semiconductor device according to a sixth aspect of the present invention is the semiconductor device according to any one of the first to fifth aspects, wherein the insulating region is in contact with the semiconductor substrate in a cross section including the slit and parallel to the slit. The thickness of the portion is 1 μm or more.
請求項7の発明にかかる半導体装置は、請求項1〜5のいずれか一つに記載の発明において、前記スリットを含み、かつ前記スリットに平行な断面における前記絶縁領域の、前記半導体基板と接する部分の厚さは、1.5μm以上であることを特徴とする。 A semiconductor device according to a seventh aspect of the present invention is the semiconductor device according to any one of the first to fifth aspects, wherein the insulating region is in contact with the semiconductor substrate in a cross section including the slit and parallel to the slit. The thickness of the portion is 1.5 μm or more.
請求項8の発明にかかる半導体装置は、請求項6または7に記載の発明において、前記スリットを含み、かつ前記スリットに平行な断面における前記絶縁領域の、前記半導体基板と接する部分の厚さは、5μm以下であることを特徴とする。
A semiconductor device according to an invention of
請求項9の発明にかかる半導体装置は、請求項5に記載の発明において、前記絶縁領域を構成する材料は、窒化物であり、前記スリット内を満たす材料は、シリコン酸化物であることを特徴とする。 According to a ninth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the fifth aspect, the material forming the insulating region is a nitride, and the material filling the slit is a silicon oxide. And
請求項1〜9の発明によれば、半導体基板の、第1の電極と第2の電極との間の表面領域に埋め込まれた絶縁領域中に、この絶縁領域を構成する材料よりも誘電率の小さい1以上のスリットが設けられているので、このスリット内に電気力線が集中し、絶縁領域の底部において電界が高くなるような分布となる。従って、素子の表面付近の電界強度が緩和され、絶縁耐圧が高くなる。また、請求項4または5の発明によれば、スリット内に電界が集中すると、界面部分での固定電荷や残留気体中の分極によって信頼性が低下するおそれがあるが、これを回避することができる。
According to the first to ninth aspects of the present invention, in the insulating region embedded in the surface region between the first electrode and the second electrode of the semiconductor substrate, the dielectric constant is higher than the material constituting the insulating region. Since one or more small slits are provided, electric lines of force are concentrated in the slits, and the electric field is increased at the bottom of the insulating region. Therefore, the electric field strength near the surface of the element is relaxed and the withstand voltage is increased. According to the invention of
また、上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項10の発明にかかる半導体装置の製造方法は、半導体基板の表面上に互いに離れて設けられた第1の電極および第2の電極の間に絶縁領域が埋め込まれ、この絶縁領域を構成する材料よりも小さい誘電率を有する1以上のスリットが前記絶縁領域中に設けられた半導体装置を製造するにあたって、半導体基板に複数のトレンチを形成する第1の工程と、前記トレンチの中央部分にスリットとなる隙間を残した状態で前記トレンチの側面および底面を熱酸化させるとともに、隣り合う前記トレンチの間の半導体部分を完全に熱酸化させる第2の工程と、トレンチ中央部分に残った前記隙間の少なくとも開口部を塞ぐ第3の工程と、を含むことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a semiconductor device manufacturing method according to a tenth aspect of the present invention includes a first electrode and a second electrode which are provided apart from each other on the surface of a semiconductor substrate. When manufacturing a semiconductor device in which one or more slits having a dielectric constant smaller than the material constituting the insulating region are provided in the insulating region, a plurality of trenches are formed in the semiconductor substrate. The side surface and the bottom surface of the trench are thermally oxidized with the first step to be formed and a gap serving as a slit remaining in the central portion of the trench, and the semiconductor portion between the adjacent trenches is completely thermally oxidized. A second step and a third step of closing at least the opening of the gap remaining in the central portion of the trench.
請求項11の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項10に記載の発明において、前記第1の工程において、前記第2の工程が終了した時点で前記隙間が1μm以下の幅で残るように、複数のトレンチを形成することを特徴とする。 According to an eleventh aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device according to the tenth aspect of the present invention, wherein, in the first step, the gap remains with a width of 1 μm or less when the second step is completed. In addition, a plurality of trenches are formed.
請求項12の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項11に記載の発明において、前記第1の工程において、前記第2の工程が終了した時点で前記隙間が0.1μm以上の幅で残るように、複数のトレンチを形成することを特徴とする。 According to a twelfth aspect of the present invention, in the semiconductor device manufacturing method according to the eleventh aspect of the present invention, in the first step, the gap has a width of 0.1 μm or more when the second step is completed. A plurality of trenches are formed so as to remain.
請求項13の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項10〜12のいずれか一つに記載の発明において、前記スリット内を高真空状態にすることを特徴とする。 A method of manufacturing a semiconductor device according to a thirteenth aspect of the invention is characterized in that, in the invention according to any one of the tenth to twelfth aspects, the inside of the slit is in a high vacuum state.
請求項14の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項10〜12のいずれか一つに記載の発明において、前記スリット内を、前記第2の工程により生じた熱酸化膜よりも誘電率の小さい材料で埋めることを特徴とする。 According to a fourteenth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device according to any one of the tenth to twelfth aspects of the present invention. It is characterized by filling with a small material.
請求項15の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項10〜14のいずれか一つに記載の発明において、前記第2の工程において、前記隙間を含み、かつ前記隙間に平行な断面における前記熱酸化膜の、前記半導体基板と接する部分の厚さが1μm以上になるように、熱酸化を行うことを特徴とする。 A method of manufacturing a semiconductor device according to a fifteenth aspect of the present invention is the method according to any one of the tenth to fourteenth aspects, wherein in the second step, the cross section includes the gap and is parallel to the gap. Thermal oxidation is performed so that a thickness of a portion of the thermal oxide film in contact with the semiconductor substrate becomes 1 μm or more.
請求項16の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項10〜14のいずれか一つに記載の発明において、前記第2の工程において、前記隙間を含み、かつ前記隙間に平行な断面における前記熱酸化膜の、前記半導体基板と接する部分の厚さが1.5μm以上になるように、熱酸化を行うことを特徴とする。 According to a sixteenth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device according to any one of the tenth to fourteenth aspects, wherein, in the second step, the cross section includes the gap and is parallel to the gap. Thermal oxidation is performed so that a thickness of a portion of the thermal oxide film in contact with the semiconductor substrate becomes 1.5 μm or more.
請求項17の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項15または16に記載の発明において、前記第2の工程において、前記隙間を含み、かつ前記隙間に平行な断面における前記熱酸化膜の、前記半導体基板と接する部分の厚さが5μm以下になるように、熱酸化を行うことを特徴とする。 According to a seventeenth aspect of the present invention, in the semiconductor device manufacturing method according to the fifteenth or sixteenth aspect, in the second step, the thermal oxide film in a cross section including the gap and parallel to the gap is provided. The thermal oxidation is performed so that the thickness of the portion in contact with the semiconductor substrate is 5 μm or less.
請求項18の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項10〜17のいずれか一つに記載の発明において、前記第1の工程後、前記第2の工程前に、前記トレンチの側面および底面に不純物イオンを注入する第4の工程をさらに含むことを特徴とする。
A method for manufacturing a semiconductor device according to an invention of
請求項10〜18の発明によれば、半導体基板の、第1の電極と第2の電極との間の表面領域に埋め込まれた熱酸化膜よりなる絶縁領域中に、熱酸化膜よりも誘電率の小さい1以上のスリットを有する半導体装置が得られる。この半導体装置では、スリット内に電気力線が集中し、絶縁領域の底部において電界が高くなるような分布となるので、素子の表面付近の電界強度が緩和され、絶縁耐圧が高くなる。また、請求項13または14の発明によれば、スリット内に電界が集中すると、界面部分での固定電荷や残留気体中の分極によって信頼性が低下するおそれがあるが、これを回避することができる。また、請求項18の発明によれば、絶縁領域の周囲にオフセットドレイン領域が形成される。
According to invention of Claims 10-18, it is more dielectric than a thermal oxide film in the insulation area | region which consists of a thermal oxide film embedded in the surface area | region between the 1st electrode and 2nd electrode of a semiconductor substrate. A semiconductor device having one or more slits with a low rate is obtained. In this semiconductor device, the electric field lines concentrate in the slit and the electric field is increased at the bottom of the insulating region, so that the electric field strength near the surface of the element is relaxed and the withstand voltage is increased. According to the invention of
請求項19の発明にかかる半導体装置の製造方法は、半導体基板の表面上に互いに離れて設けられた第1の電極および第2の電極の間に絶縁領域が埋め込まれ、この絶縁領域を構成する材料よりも小さい誘電率を有する1以上のスリットが前記絶縁領域中に設けられた半導体装置を製造するにあたって、半導体基板に複数のトレンチを形成する第1の工程と、前記トレンチの中央部分に隙間を残した状態で前記トレンチの側面および底面を熱酸化させるとともに、隣り合う前記トレンチの間のスリットとなる半導体部分を完全に熱酸化させる第2の工程と、トレンチ中央部分に残った前記隙間を、前記第2の工程により生じた熱酸化膜よりも誘電率の大きい材料で埋める第3の工程と、を含むことを特徴とする。 According to a nineteenth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, wherein an insulating region is embedded between a first electrode and a second electrode which are provided apart from each other on a surface of a semiconductor substrate, and constitutes the insulating region. In manufacturing a semiconductor device in which one or more slits having a dielectric constant smaller than that of the material are provided in the insulating region, a first step of forming a plurality of trenches in the semiconductor substrate and a gap in the central portion of the trenches A second step of thermally oxidizing the side and bottom surfaces of the trench while leaving a gap, and completely thermally oxidizing a semiconductor portion that becomes a slit between adjacent trenches, and the gap remaining in the central portion of the trench. And a third step of filling with a material having a dielectric constant larger than that of the thermal oxide film generated by the second step.
請求項20の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項19に記載の発明において、前記第1の工程後、前記第2の工程前に、前記トレンチの側面および底面に不純物イオンを注入する第4の工程をさらに含むことを特徴とする。 According to a twentieth aspect of the present invention, in the semiconductor device manufacturing method according to the nineteenth aspect, impurity ions are implanted into the side surface and the bottom surface of the trench after the first step and before the second step. The method further includes a fourth step.
請求項19の発明によれば、半導体基板の、第1の電極と第2の電極との間の表面領域に、熱酸化膜よりも誘電率の大きい材料よりなる絶縁領域が埋め込まれており、かつこの絶縁領域中に熱酸化膜よりなる1以上のスリットを有する半導体装置が得られる。この半導体装置では、スリット内に電気力線が集中し、絶縁領域の底部において電界が高くなるような分布となるので、素子の表面付近の電界強度が緩和され、絶縁耐圧が高くなる。また、請求項20の発明によれば、絶縁領域の周囲にオフセットドレイン領域が形成される。
According to the invention of
本発明にかかる半導体装置およびその製造方法によれば、半導体基板の表面領域に埋め込まれた絶縁領域を素子耐圧部として用いる半導体装置において、素子の表面近くの電界強度を緩和することによって、高い耐圧特性を得ることができるという効果を奏する。 According to a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the present invention, in a semiconductor device using an insulating region embedded in a surface region of a semiconductor substrate as an element withstand voltage portion, a high withstand voltage can be obtained by relaxing electric field strength near the surface of the element. There is an effect that characteristics can be obtained.
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置およびその製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。 Exemplary embodiments of a semiconductor device and a method for manufacturing the same according to the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings.
実施の形態1.
図1〜図6は、本発明の実施の形態1にかかる製造方法により製造される半導体装置の製造途中の構造を示す縦断面図であり、図7は、この製造方法において用いられるトレンチエッチング用レジストマスクのマスクパターンの一例を示す平面図である。図1〜図6には、図7のA−A’線に相当する断面における半導体装置の構造が示されている。ただし、図が煩雑になるのを避けるため、トレンチを二つだけ示した。
1 to 6 are longitudinal sectional views showing structures in the process of manufacturing a semiconductor device manufactured by the manufacturing method according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 7 is for trench etching used in this manufacturing method. It is a top view which shows an example of the mask pattern of a resist mask. 1 to 6 show the structure of the semiconductor device in a cross section corresponding to the line AA ′ in FIG. However, only two trenches are shown in order to avoid the figure becoming complicated.
まず、図1に示すように、シート抵抗が例えば100Ωcm程度であるp型のシリコン半導体基板31を熱酸化して、基板表面に例えば800nmの厚さの熱酸化膜32を形成する。ついで、図2に示すように、熱酸化膜32上にフォトレジストを塗布した後、図示しないマスクを用いて露光および現像を行ってレジストマスク33を形成する。
First, as shown in FIG. 1, a p-type
図2において図面に平行な方向をY方向とすると、図7に示すように、レジストマスク33は、Y方向の長さが例えば1.4μmである複数の島状領域33aを例えば1.6μm間隔で配置したパターンを有する。1.6μm幅の開口部分33bは、後述するトレンチ36に対応する。そして、レジストマスク33をマスクとし、例えばCHF3とCF4とArの混合ガスを用いて異方性ドライエッチングを行い、熱酸化膜32の、トレンチ36に対応する部分を除去してハードマスク34を形成する。
If the direction parallel to the drawing in FIG. 2 is the Y direction, as shown in FIG. 7, the resist
ついで、図3に示すように、ハードマスク34をマスクとし、例えばCl2とO2の混合ガスを用いて異方性ドライエッチングを行い、図3において図面に垂直な方向(以下、X方向とする)の長さが例えば20μmであり、かつ深さ方向(以下、Z方向とする)の長さが例えば20μmである複数のトレンチ36を形成する。つづいて、例えばCF4とO2の混合ガスを用いて等方性エッチングを行い、トレンチエッチング時に生成したトレンチ側壁の保護膜を除去するとともに、トレンチ角部を丸める。
Then, as shown in FIG. 3, the
このときに、隣り合うトレンチ36間にシリコン柱35として残る半導体部分の上端の幅が例えばおおよそ1.4μmとなるように調整する。また、トレンチ36の幅がトレンチの開口端から底に向かって狭くなるように、トレンチ側壁が傾いているのが望ましいので、トレンチ側壁の角度が基板表面に対して例えば89°程度で傾くようにする。
At this time, the width of the upper end of the semiconductor portion remaining as the
つづいて、図3において図面の手前側上方から奥側下方に向かって斜め方向に例えばリンイオンを注入する。さらに、図3において図面の奥側上方から手前側下方に向かって斜め方向に例えばリンイオンを注入する。この2回のイオン注入の方向と基板表面の法線方向(すなわち、トレンチ36の側面)とのなす角は、例えばおおよそ+44°と−44°である。また、イオン注入量は、例えば9.3×1011cm-2である。 Subsequently, in FIG. 3, for example, phosphorus ions are implanted in an oblique direction from the upper front side to the lower rear side of the drawing. Further, in FIG. 3, for example, phosphorus ions are implanted in an oblique direction from the upper rear side to the lower front side of the drawing. The angle formed between the direction of the two ion implantations and the normal direction of the substrate surface (that is, the side surface of the trench 36) is approximately + 44 ° and −44 °, for example. The ion implantation amount is, for example, 9.3 × 10 11 cm −2 .
つづいて、基板表面に対して垂直な方向、すなわちトレンチ36の側面に対してほぼ0°の方向からリンイオンを注入する。このイオン注入では、トレンチ36の底部にのみリンイオンが注入される。このときのイオン注入量は、例えば6.6×1011cm-2である。その理由は、n-オフセットドレイン領域の周囲におけるリンイオンの表面濃度が均一になるからである。つづいて、例えば1150℃の窒素雰囲気中で約6時間のドライブを行い、リンイオンの拡散深さxjが例えば約4μmのn-オフセットドレイン領域を形成する。図3では、n-オフセットドレイン領域は省略されている。
Subsequently, phosphorus ions are implanted from a direction perpendicular to the substrate surface, that is, a direction of approximately 0 ° with respect to the side surface of the
ついで、図4に示すように、例えば1100℃で約10時間、水蒸気雰囲気に半導体基板31を曝して、シリコン柱35を完全に酸化する。この酸化処理によってシリコン柱35は、すべてシリコン酸化物よりなるシリコン酸化柱となる。その際、シリコンがシリコン酸化物となるときの膨張により、隣り合うシリコン酸化柱の間に例えば約0.1μmの幅のスリット38が残る。このとき、形成された熱酸化膜37の厚さは例えば3.1μmである。
Next, as shown in FIG. 4, the
ついで、図5に示すように、例えば減圧CVD法により熱酸化膜37上にHTO膜(高温熱CVD酸化膜)39を堆積して、スリット38の上端の開口を塞ぐ。その際、HTOの流動性が小さいので、スリット38内をHTOで完全に埋めることができない。そのため、熱酸化膜37とHTO膜39との間にスリット38が残る。
Next, as shown in FIG. 5, an HTO film (high temperature thermal CVD oxide film) 39 is deposited on the
最後に、図6に示すように、シリコン表面のHTO膜39と熱酸化膜37を例えばCMPやウェットエッチングやドライエッチングなどにより除去する。このようにして、熱酸化膜37とHTO膜39とが一体化し、スリット38を含む絶縁領域40を有するトレンチ絶縁構造が得られる。ついで、半導体基板31に周知の方法により種々の半導体領域や電極等を形成する。実際に上述した製造方法に従って製造されたトレンチ横型MOSFETの耐圧値は、760Vであった。
Finally, as shown in FIG. 6, the
図8は、上述した製造方法を適用して製造される半導体装置の一例である横型の高耐圧トレンチパワーMOSFETのスリットを含む断面の構造を示す縦断面図である。図8に示すように、横型トレンチMOSFETは、前記半導体基板31に相当するp半導体層51、pウェル層52、nウェル層53、n-オフセットドレイン領域54、絶縁領域55、pチャネル領域56、ソース領域となるn+半導体領域57、ドレイン領域となるn+半導体領域58、ゲート絶縁膜59、ゲート電極60、第1の電極に相当するソース電極61、および第2の電極に相当するドレイン電極62を備えている。
FIG. 8 is a vertical cross-sectional view showing a cross-sectional structure including slits of a horizontal type high breakdown voltage trench power MOSFET which is an example of a semiconductor device manufactured by applying the manufacturing method described above. As shown in FIG. 8, the lateral trench MOSFET includes
絶縁領域55は、半導体基板の表面領域に埋め込まれており、前記熱酸化膜37と前記HTO膜39からなる。絶縁領域55の内部には、前記スリット38が含まれている。n-オフセットドレイン領域54は、絶縁領域55の側面および底面を囲むように形成されている。pウェル層52は、p半導体層51の、絶縁領域55に対してソース側の表面部分において、n-オフセットドレイン領域54の外側に隣接して形成されている。
The insulating
pチャネル領域56は、pウェル層52の表面部分に形成されている。n+半導体領域57は、pチャネル領域56の表面部分において、n-オフセットドレイン領域54から離れて形成されている。nウェル層53は、p半導体層51の、絶縁領域55に対してドレイン側(ソース側の反対側)の表面部分において、n-オフセットドレイン領域54につながるように形成されている。
The
n+半導体領域58は、nウェル層53の表面部分に形成されている。ゲート絶縁膜59は、n+半導体領域57とn-オフセットドレイン領域54との間のpチャネル領域56の表面上に形成されている。ゲート電極60は、ゲート絶縁膜59上に形成されている。ソース電極61は、pチャネル領域56とn+半導体領域57に接触している。ドレイン電極62は、n+半導体領域58に接触している。
N + semiconductor region 58 is formed on the surface portion of
なお、図示省略したが、ゲート電極60は、層間絶縁膜によりソース電極61およびドレイン電極62から絶縁されている。また、装置全体は、パッシベーション膜により被覆されている。
Although not shown, the
次に、本発明者らがシミュレーションを用いて行った解析結果について説明する。図8に示す構造において、トレンチ内に、誘電率が3.9である熱酸化膜37を埋め込み、その中に、誘電率が1であるスリット38を設け、2次元の耐圧シミュレーションを行った。p半導体層51の不純物濃度を1.0×1014cm-3とし、n-オフセットドレイン領域54の表面濃度を8.0×1015cm-3とした。実際の素子構造においては、直方体の熱酸化膜37中にスリット38となる直方体形状の絶縁物が埋め込まれた構造となる。
Next, analysis results performed by the present inventors using simulation will be described. In the structure shown in FIG. 8, a
2次元シミュレーションによるスリット38内の絶縁物の厚さと耐圧の関係を調べた。その結果を図9に示す。トレンチ36の一辺の寸法を20μmとすると、絶縁物の厚さが3μmであるときに耐圧が最大となり、その値は705Vであった。絶縁物の厚さが5μmになると、耐圧値は、639Vであった。また、トレンチ36内にスリット38を設けずに、熱酸化膜37のみでトレンチ36を埋めた場合の耐圧値は、480Vであった。
The relationship between the thickness of the insulator in the
熱酸化膜37の厚さを変えたときの電位分布およびブレークダウンポイント(丸印で囲む部分)を調べた。その結果を図10〜図12に示す。図10、図11および図12は、熱酸化膜37の厚さをそれぞれ1.5μm、3μmおよび5μmとしたものである。これらの図と、スリット38がない従来の半導体装置の電位分布およびブレークダウンポイントを示す図25とを比較すると、スリット38を設けたことにより、耐圧特性が向上しているのがわかる。
The potential distribution and breakdown point (portion surrounded by a circle) when the thickness of the
つまり、周囲の絶縁物(誘電率が3.9である熱酸化膜37)よりも小さい誘電率を有するスリット38が存在することにより、スリット38内に電気力線が集中し、トレンチ底部で電界が高くなるような分布となる。それによって、従来の律則ポイントである素子の表面付近の電界強度が緩和されるので、絶縁耐圧が増加する。
That is, due to the presence of the
ただし、スリット38内の電界集中により、界面部分での固定電荷や、スリット38内に残留する気体中の分極により、信頼性の低下が懸念される。このような問題を回避するためには、スリット38内を高真空にするか、または低誘電率の絶縁材料で埋めるとよい。
However, due to the concentration of the electric field in the
トレンチ36の縦横比、いわゆるアスペクト比と、耐圧との関係を調べた。その結果、トレンチ36のX方向およびZ方向の寸法がともに20μmである場合(アスペクト比は1)、耐圧は、スリット38があると693Vであるのに対して、スリット38がないと489Vであった。また、トレンチ36のX方向およびZ方向の寸法がそれぞれ15μmおよび25μmである場合(アスペクト比は1.66)、耐圧は、スリット38があると725Vであるのに対して、スリット38がないと568Vであった。
The relationship between the aspect ratio of the
さらに、トレンチ36のX方向およびZ方向の寸法がそれぞれ10μmおよび25μmである場合(アスペクト比は2.5)、耐圧は、スリット38があると470Vであるのに対して、スリット38がないと360Vであった。この結果より、アスペクト比が1〜2.5である場合には、耐圧改善効果があり、特にアスペクト比が1に近い方がより効果的であることが分かった。
Further, when the dimensions of the
次に、トレンチ36内に誘電率3.9の熱酸化膜37を充填し、その中に誘電率1のスリット38を設け、スリット38の数および配置と素子耐圧との関係を調べるために行った3次元シミュレーションについて説明する。図13は、その3次元シミュレーションモデルを示す配置図である。
Next, a
このシミュレーションでは、トレンチ36の寸法を20μm×20μm(アスペクト比は1)とし、熱酸化膜37の厚さを2μmとし、スリット38の数を1〜5とし、スリット38の幅を0.1μm、0.5μmおよび1μmとした。また、p半導体層51の不純物濃度を1.0×1014cm-3とし、図示省略したn-オフセットドレイン領域54の濃度を6.0×1014cm-3で一定とした。
In this simulation, the size of the
3次元シミュレーションの結果を図14に示す。スリット38の幅が0.1μmである場合には、スリット38の数が3本以上であれば、顕著な耐圧改善効果が得られた。スリット38幅が0.5μmである場合には、スリット38の数が4本以上であれば、顕著な耐圧改善効果が得られた。スリット38幅が1μmである場合には、5本のスリット38を設けることによって、顕著な耐圧改善効果が得られた。
The result of the three-dimensional simulation is shown in FIG. In the case where the width of the
このように、3次元のモデルにおいても、周囲の絶縁物(誘電率が3.9である熱酸化膜37)よりも小さい誘電率を有するスリット38が存在することにより、素子表面への電界集中を抑制し、電界分布を変化させて、耐圧を改善することができることが分かった。耐圧の改善効果は、スリット38とトレンチ36の位置関係や、スリット38の形状や、トレンチ36のアスペクト比により異なるが、その最適な範囲がシミュレーションおよび実験により得られた。
As described above, even in the three-dimensional model, the presence of the
実施の形態1によれば、ソース電極61とドレイン電極62との間に埋め込まれた絶縁領域55中に、この絶縁領域55を構成する熱酸化膜37よりも誘電率の小さい1以上のスリット38が設けられているので、このスリット38内に電気力線が集中し、絶縁領域55の底部において電界が高くなるような分布となる。従って、素子の表面付近の電界強度が緩和され、絶縁耐圧が高くなる。
According to the first embodiment, one or
実施の形態2.
実施の形態2は、隣り合うトレンチ間のシリコン柱を熱酸化してできたシリコン酸化柱を、低誘電率のスリットとして用いたものである。図15〜図19は、本発明の実施の形態2にかかる製造方法により製造される半導体装置の製造途中の構造を示す縦断面図である。この製造方法において用いられるトレンチエッチング用レジストマスクのマスクパターンは、図7に示すパターンと同様である。図15〜図19には、図7のA−A’線に相当する断面における半導体装置の構造が示されている。ただし、図が煩雑になるのを避けるため、トレンチを二つだけ示した。
In the second embodiment, a silicon oxide column formed by thermally oxidizing a silicon column between adjacent trenches is used as a slit having a low dielectric constant. 15 to 19 are longitudinal sectional views showing structures in the process of manufacturing a semiconductor device manufactured by the manufacturing method according to the second embodiment of the present invention. The mask pattern of the resist mask for trench etching used in this manufacturing method is the same as the pattern shown in FIG. 15 to 19 show the structure of the semiconductor device in a cross section corresponding to the line AA ′ in FIG. However, only two trenches are shown in order to avoid the figure becoming complicated.
まず、図15に示すように、実施の形態1と同様にして、半導体基板31上にハードマスク74およびレジストマスク73を設ける。レジストマスク73は、図15において図面に平行なY方向の長さが例えば0.2μmである複数の島状領域を例えば1.6μm間隔で配置したパターンを有する。従って、ハードマスク74も、レジストマスク73と同じパターンを有する。
First, as shown in FIG. 15, a
ついで、図16に示すように、実施の形態1と同様にして、シリコン柱75およびトレンチ76を形成した後、トレンチ側壁の保護膜を除去するとともに、トレンチ角部を丸める。そして、実施の形態1と同様にして、斜め2方向から例えばリンイオンを注入し、トレンチ76の底部に例えばリンイオンを注入する。その後、ドライブを行って、図示省略したn-オフセットドレイン領域を形成する。
Next, as shown in FIG. 16, after forming the
ついで、図17に示すように、例えば1100℃で約1時間、水蒸気雰囲気に半導体基板31を曝して、シリコン柱75を完全に酸化し、すべてシリコン酸化物よりなるシリコン酸化柱とする。このときのシリコン酸化柱の幅は、例えば約0.4μmである。トレンチ76の側面および底面には、熱酸化膜77(シリコン酸化柱を含む)が生成される。熱酸化膜77の誘電率は、3.9である。
Next, as shown in FIG. 17, for example, the
ついで、図18に示すように、例えばプラズマCVD法により熱酸化膜77上に窒化膜79を堆積して、トレンチ76を窒化膜79で埋める。窒化膜79の誘電率は、約8である。最後に、図19に示すように、シリコン表面の窒化膜79と熱酸化膜77を例えばCMPにより除去する。このようにして、熱酸化膜77と窒化膜79とが一体化し、かつ熱酸化膜77の一部であるシリコン酸化柱をスリット78として含む絶縁領域80を有するトレンチ絶縁構造が得られる。ついで、半導体基板31に周知の方法により種々の半導体領域や電極等を形成する。
Next, as shown in FIG. 18, a
実際に上述した製造方法に従って製造されたトレンチ横型MOSFETの耐圧値は、489Vであった。なお、トレンチ76内に熱酸化膜77を設けずに、窒化膜79のみでトレンチ76を埋めた場合の耐圧値は、416Vであった。実施の形態2では、誘電率が約8である窒化膜79中に、誘電率が3.9である熱酸化膜77よりなるスリット78が設けられた構成となり、電気力線の引き込み効果により素子表面の電界が緩和されるので、耐圧が向上した。
The breakdown voltage value of the trench lateral MOSFET actually manufactured according to the manufacturing method described above was 489V. Note that the breakdown voltage value when the
なお、実施の形態2では、スリット78を構成する材料よりも高い誘電率を有する材料として、窒化膜79の代わりに、例えばタンタルやハフニウム等の高誘電率材料を用いてもよい。また、窒化膜79等の高誘電率材料の埋め込みにあたっては、プラズマCVD法以外にも、塗布法やスパッタ法を用いてもよい。
In the second embodiment, instead of the
以上において、本発明は、上述した各実施の形態に限らず、種々変更可能である。例えば、各実施の形態において示した各部の寸法や濃度、およびイオン注入量や各種処理条件等は、一例であり、本発明はこれらの値に限定されるものではない。また、本発明は、p型とn型を反転させても同様に成り立つ。さらに、本発明は、シリコン半導体に限らず、他の半導体材料を用いる場合にも同様に成り立つ。 As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made. For example, the size and concentration of each part, the ion implantation amount, various processing conditions, and the like shown in each embodiment are examples, and the present invention is not limited to these values. Further, the present invention can be similarly realized even when the p-type and the n-type are inverted. Furthermore, the present invention is not limited to silicon semiconductors, and the same holds true when other semiconductor materials are used.
以上のように、本発明にかかる半導体装置およびその製造方法は、半導体基板の表面領域に埋め込まれた絶縁領域を素子耐圧部として用いる半導体装置に有用であり、特に、トレンチ横型デバイスなどのパワーデバイスに適している。 As described above, the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention are useful for a semiconductor device using an insulating region embedded in a surface region of a semiconductor substrate as an element withstand voltage portion, and in particular, a power device such as a trench lateral device. Suitable for
31 半導体基板
35,75 トレンチ間の半導体部分(シリコン柱)
36,76 トレンチ
37,77 熱酸化膜
38,78 スリット
40,55,80 絶縁領域
61 第1の電極(ソース電極)
62 第2の電極(ドレイン電極)
79 窒化膜
31
36, 76
62 Second electrode (drain electrode)
79 Nitride film
Claims (20)
前記半導体基板の、前記第1の電極と前記第2の電極との間の表面領域に埋め込まれた絶縁領域と、
前記絶縁領域中に設けられた1以上のスリットと、を備え、
前記スリットは、前記絶縁領域を構成する材料よりも小さい誘電率を有することを特徴とする半導体装置。 A first electrode and a second electrode provided apart from each other on the surface of the semiconductor substrate;
An insulating region embedded in a surface region of the semiconductor substrate between the first electrode and the second electrode;
One or more slits provided in the insulating region,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the slit has a dielectric constant smaller than a material constituting the insulating region.
半導体基板に複数のトレンチを形成する第1の工程と、
前記トレンチの中央部分にスリットとなる隙間を残した状態で前記トレンチの側面および底面を熱酸化させるとともに、隣り合う前記トレンチの間の半導体部分を完全に熱酸化させる第2の工程と、
トレンチ中央部分に残った前記隙間の少なくとも開口部を塞ぐ第3の工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 An insulating region is embedded between the first electrode and the second electrode that are provided apart from each other on the surface of the semiconductor substrate, and the one or more slits having a dielectric constant smaller than the material constituting the insulating region are In manufacturing a semiconductor device provided in an insulating region,
A first step of forming a plurality of trenches in a semiconductor substrate;
A second step of thermally oxidizing the side surface and the bottom surface of the trench while leaving a gap serving as a slit in the central portion of the trench, and completely thermally oxidizing the semiconductor portion between the adjacent trenches;
A third step of closing at least the opening of the gap remaining in the trench central portion;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
半導体基板に複数のトレンチを形成する第1の工程と、
前記トレンチの中央部分に隙間を残した状態で前記トレンチの側面および底面を熱酸化させるとともに、隣り合う前記トレンチの間のスリットとなる半導体部分を完全に熱酸化させる第2の工程と、
トレンチ中央部分に残った前記隙間を、前記第2の工程により生じた熱酸化膜よりも誘電率の大きい材料で埋める第3の工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 An insulating region is embedded between the first electrode and the second electrode that are provided apart from each other on the surface of the semiconductor substrate, and the one or more slits having a dielectric constant smaller than the material constituting the insulating region are In manufacturing a semiconductor device provided in an insulating region,
A first step of forming a plurality of trenches in a semiconductor substrate;
A second step of thermally oxidizing the side and bottom surfaces of the trench with a gap left in the central portion of the trench, and completely thermally oxidizing a semiconductor portion that becomes a slit between the adjacent trenches;
A third step of filling the gap remaining in the central portion of the trench with a material having a dielectric constant larger than that of the thermal oxide film generated by the second step;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
20. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 19, further comprising a fourth step of implanting impurity ions into a side surface and a bottom surface of the trench after the first step and before the second step. .
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