JP2007103459A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、MOS系デバイス(MOS構造を利用した半導体素子)を構成する半導体装置およびその製造方法に関し、特にパワーMOSFETや、IGBT、あるいはサイリスタ(MCT)等のパワーデバイスに用いて有益な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 constituting a MOS device (semiconductor element using a MOS structure) and a method for manufacturing the same, and particularly to a semiconductor device useful for a power device such as a power MOSFET, IGBT, or thyristor (MCT). And a manufacturing method thereof.
周知のように、この種の半導体装置としては、例えばDMOS(二重拡散MOS)構造のトランジスタがよく知られている。しかし、このDMOS構造のトランジスタは、低耐圧〜中耐圧(50V〜300V程度)の領域において、まだオン抵抗が高く、同領域においてより低いオン抵抗の得られる半導体装置の開発、実用化が切に望まれている。 As is well known, as this type of semiconductor device, for example, a transistor having a DMOS (double diffusion MOS) structure is well known. However, this DMOS transistor has a high on-resistance in a low withstand voltage to medium withstand voltage (about 50 V to 300 V) region, and development and practical use of a semiconductor device that can obtain a lower on-resistance in the same region are serious. It is desired.
そこで近年、例えば特許文献1に記載されるように、基板の深さ方向(縦方向)をチャネル幅方向とするようなチャネルを形成すべく、ソース・ドレイン間の電流を制御するゲート電極(MOSゲート)について、同基板深さ方向に伸長するトレンチ電極構造を採用した、いわゆる3次元パワーMOSFET(電界効果トランジスタ)なども提案されるに至っている。以下、図15〜図24を参照して、こうした3次元パワーMOSFETの一例の概要を説明する。
Therefore, in recent years, as described in
はじめに、図15および図16を参照して、この3次元パワーMOSFETの構造について説明する。なお、図15は、このトランジスタの概略構造を示す平面図、図16は、図15中に一点鎖線にて示される領域Uを切り取ってその構造をより詳細に示す斜視図である。 First, the structure of this three-dimensional power MOSFET will be described with reference to FIGS. 15 and 16. FIG. 15 is a plan view showing a schematic structure of this transistor, and FIG. 16 is a perspective view showing the structure in more detail by cutting out a region U indicated by a one-dot chain line in FIG.
同図15に示されるように、このトランジスタの母材となる基板(例えばシリコン基板)には、トレンチT1が所定の間隔をおいて連続的に形成されている(トレンチT1間のアイソレーション(素子分離)は図示略)。そして、このトレンチT1の内外の構造を詳しくみると、図16に示されるように、このトランジスタは、互いに対向する(詳しくは、図中のY方向およびZ方向に対向する)かたちで設けられたn型のソース領域S(トレンチT1の内)、および同じくn型のドレイン領域D(トレンチT1の外)を備えて構成されている。また、当該基板の表面からは、p型のベース領域BSが、隣接する上記ソース領域Sを囲繞するように延設されている。さらに、該ベース領域BSおよび上記ドレイン領域Dの間には、上記ドレイン領域Dよりも濃度の低いn型からなるドリフト領域DFが設けられている。そして、こうしたソース領域Sおよびベース領域BSを基板の深さ方向(図中のZ方向)に貫通するようにトレンチTが設けられるとともに、さらにこのトレンチTの内部には、例えば酸化シリコンからなるゲート絶縁膜GIを介して、例えば多結晶シリコンからなるゲート電極Gが形成されている。なお、これらソース領域Sおよびドレイン領域D、並びにゲート電極Gは、図16に示されるように、所定の配線を介して、端子(例えばパッド)SEおよびDEおよびGEまで引き出されている。また、上記ベース領域BSも、上記ソース領域Sに同じく、上記端子SEと電気的に接続されている。 As shown in FIG. 15, a substrate (for example, a silicon substrate) serving as a base material of this transistor has trenches T1 formed continuously at a predetermined interval (isolation between trenches T1 (elements). (Separation) is not shown). When the inner and outer structures of the trench T1 are examined in detail, as shown in FIG. 16, the transistors are provided so as to face each other (specifically, facing the Y direction and the Z direction in the figure). The n-type source region S (inside the trench T1) and the n-type drain region D (outside the trench T1) are also provided. Further, a p-type base region BS is extended from the surface of the substrate so as to surround the adjacent source region S. Furthermore, an n-type drift region DF having a lower concentration than the drain region D is provided between the base region BS and the drain region D. A trench T is provided so as to penetrate the source region S and the base region BS in the depth direction of the substrate (Z direction in the drawing), and a gate made of, for example, silicon oxide is further provided inside the trench T. A gate electrode G made of, for example, polycrystalline silicon is formed through the insulating film GI. Note that the source region S, the drain region D, and the gate electrode G are led to terminals (for example, pads) SE, DE, and GE through predetermined wirings as shown in FIG. Similarly to the source region S, the base region BS is also electrically connected to the terminal SE.
このような構成のもと、このトランジスタでは、該ゲート電極Gへの電圧(ゲート電圧)の印加に伴い、同ゲート電極Gと隣接する上記ベース領域BSの所定の部分(詳しくはゲート電極Gとの隣接部分)に、図中のZ方向およびY方向をチャネル幅方向とするチャネルが形成されるようになっている。すなわち、当該トランジスタの出力電流は、上記端子SEおよびDE間(ソース・ドレイン間)を、図中のY方向およびZ方向へそれぞれ流れることになる。また、この出力電流として大電流を得るべく、こうしたゲート電極Gは、所定の間隔をおいて連続的に形成され、図15に示すように、これらが互いに電気的に並列接続されることにより、1つの信号をもってその各々に略同時に電圧(ゲート電圧)が印加されるようになっている。 With this configuration, in this transistor, with the application of a voltage (gate voltage) to the gate electrode G, a predetermined portion of the base region BS adjacent to the gate electrode G (specifically, the gate electrode G and In the channel width direction in the Z direction and the Y direction in the figure. That is, the output current of the transistor flows between the terminals SE and DE (between the source and drain) in the Y direction and the Z direction in the drawing, respectively. Further, in order to obtain a large current as the output current, such gate electrodes G are formed continuously at a predetermined interval, and as shown in FIG. A voltage (gate voltage) is applied to each of the signals almost simultaneously.
次に、図17〜図23を参照して、この3次元パワーMOSFETの製造方法について説明する。なお、図17(a)〜図23(a)は、図15中のA−A’線に沿った断面図、図17(b)〜図23(b)は、図15中のB−B’線に沿った断面図である。 Next, a method for manufacturing the three-dimensional power MOSFET will be described with reference to FIGS. FIGS. 17A to 23A are cross-sectional views taken along the line AA ′ in FIG. 15, and FIGS. 17B to 23B are BB in FIG. It is sectional drawing along a line.
このトランジスタを製造する際には、まず、図17に示されるように、例えばn型のシリコンからなる半導体基板1を用意し、この基板1の上に、例えばシリコン基板の酸化あるいはCVD(化学気相成長)により、例えば酸化シリコンからなるトレンチ形成用のマスク材M1を形成するとともに、適宜のフォトリソグラフィ工程、さらにはエッチング工程(ドライまたはウェット)を通じて、このマスク材M1をパターンニングする。
In manufacturing this transistor, first, as shown in FIG. 17, a
次いで、図18に示すように、基板1の表面側から上記マスク材M1をマスクとしたエッチング(ドライまたはウェット)を行うことにより、同基板1にトレンチT1(図15)を形成する。なお、このトレンチT1の寸法は、例えば深さ(Z方向)「10〜100(μm)」、幅(Y方向)「10〜100(μm)」に設定される。またここでは、あえて上記マスク材M1を残すようにしているが、該マスク材M1は、このトレンチT1形成の際にエッチング除去してもよい。
Next, as shown in FIG. 18, trenches T <b> 1 (FIG. 15) are formed in the
さらに、図19に示すように、今度はこのトレンチT1の内部を埋め込むべく、例えばエピタキシャル成長にて、基板1よりも濃度の低いn型(n−型)のシリコンからなる半導体膜2、p型のシリコンからなる半導体膜3、n型のシリコン(もしくは多結晶シリコン)からなる半導体膜4を、基板1の表面に順次堆積形成する。そして、例えば上記マスク材M1をストッパにした平坦化研磨、同マスク材M1の除去、仕上げ研磨、と続けて行うことにより、図20に示すように、基板1の表面を平坦化する。さらに続けて、トレンチT1間(図15)にアイソレーション(素子分離)を形成すべく、この基板1の表面に例えばLOCOS(LOCal Oxidation of Silicon)酸化を施してから、例えばCVDにより、例えば酸化シリコンからなるトレンチ形成用のマスク材M2を形成する。そして、図21に示すように、例えばフォトリソグラフィ工程、そしてこれに続くエッチング工程(ドライまたはウェット)を通じて、このマスク材M2をパターンニングする。
Further, as shown in FIG. 19, this time, in order to bury the inside of the trench T1, the
次いで、図22に示すように、基板1の表面側から上記マスク材M2をマスクとしたエッチング(ドライまたはウェット)を行うことにより、同基板1にトレンチT(図15)を形成するとともに、このトレンチTの形成と同時に(もしくは別途に)、上記マスク材M2をエッチング除去する。
Next, as shown in FIG. 22, by performing etching (dry or wet) using the mask material M2 as a mask from the surface side of the
また次に、例えばこのトレンチTの内壁部分を酸化させることによって、例えば酸化シリコンからなるゲート絶縁膜GI(図15)を形成し、さらに、このトレンチTの内部を埋め込むべく、例えばn型(n+型)の多結晶シリコンからなるゲート電極G(図15)を形成する。そして、例えばエッチバックにより、基板1の表面を平坦化する。さらに、この平坦化の後、半導体デバイスの通常の製造工程(フォトリソグラフィ工程やエッチング工程(ドライまたはウェット)等)を通じて、上記ゲート電極Gに対するゲート配線をはじめとする各種の配線(電極)や、保護膜等を形成することによって、図23に示されるように、このトランジスタは完成する。すなわち、基板1がドレイン領域D、半導体膜2がドリフト領域DF、半導体膜3がベース領域BS、半導体膜4がソース領域Sとなる。
Next, for example, the inner wall portion of the trench T is oxidized to form a gate insulating film GI (FIG. 15) made of, for example, silicon oxide, and further, for example, n-type (n A gate electrode G (FIG. 15) made of polycrystalline silicon of + type is formed. Then, the surface of the
図24に、こうした3次元パワーMOSFETを含めた2種類のパワーデバイスのオン抵抗と耐圧との関係について、これら各要素を縦軸(オン抵抗)および横軸(耐圧)にとった具体的なデータ(縦型DMOSトランジスタの理論限界データおよび3次元パワーMOSFETのシミュレーションデータ)により、各デバイスの傾向(特性)をグラフとして示す。 FIG. 24 shows specific data regarding the relationship between the on-resistance and withstand voltage of two types of power devices including such a three-dimensional power MOSFET, with these elements taken on the vertical axis (on-resistance) and the horizontal axis (withstand voltage). The trend (characteristic) of each device is shown as a graph based on (theoretical limit data of a vertical DMOS transistor and simulation data of a three-dimensional power MOSFET).
同図24に示されるように、低耐圧〜中耐圧(50V〜300V程度)の領域においては、縦型DMOS構造のトランジスタよりも3次元パワーMOSFETのほうが、より低いオン抵抗が得られる傾向にある。例えばトレンチ電極構造の上記ゲート電極Gを、深さ「30(μm)」に形成すれば、耐圧「300(V)」の領域で、縦型DMOS構造のトランジスタの規格化オン抵抗の理論限界を下回ることが可能になる。ちなみに、これらオン抵抗や耐圧の調整や設定は、通常、ドリフト領域の幅(厚さ)の設定を通じて行われる。すなわち、例えばオン抵抗を小さく抑えたいときは、このドリフト領域の幅を狭く設定する。他方、耐圧を大きく確保したいときは、逆にドリフト領域の幅を広く設定するようにする。
ところで、このようなトランジスタは通常、図25(図17(a)〜図23(a)に対応する断面図)に示されるように、基板表面に適宜の絶縁材料(例えば酸化シリコン)からなる層間絶縁膜SIを介して適宜の配線材(例えばアルミニウム)からなる配線L(例えばソース配線)の形成された状態で使用される。このため、基板表面には、配線L、層間絶縁膜SI、およびベース領域BSにより、寄生的にMOS構造が形成され、例えば外乱の影響(サージ等)や断線(ショート)に起因して上記配線Lへ正の電位(電圧)が印加されると、p型のベース領域BSの表面に、少数キャリアである電子が集まり、意図しないチャネル(反転層)が形成されることになる。そして、こうして生じたチャネル(反転層)は、トランジスタが動作していない場合でも不要な電流を漏らすように作用し、その結果、いわゆるリーク電流を増加させてしまうことになる。 By the way, as shown in FIG. 25 (cross-sectional views corresponding to FIGS. 17 (a) to 23 (a)), such a transistor usually has an interlayer made of an appropriate insulating material (for example, silicon oxide) on the substrate surface. The wiring L (for example, source wiring) made of an appropriate wiring material (for example, aluminum) is used with the insulating film SI interposed therebetween. For this reason, a MOS structure is parasitically formed on the substrate surface by the wiring L, the interlayer insulating film SI, and the base region BS. For example, the wiring is caused by the influence of a disturbance (surge or the like) or disconnection (short). When a positive potential (voltage) is applied to L, electrons that are minority carriers gather on the surface of the p-type base region BS, and an unintended channel (inversion layer) is formed. The channel (inversion layer) thus generated acts to leak an unnecessary current even when the transistor is not operating, and as a result, a so-called leakage current is increased.
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、基板深さ方向(縦方向)に伸長するトレンチ電極構造のゲート電極(MOSゲート)を通じて、オン抵抗の低減を図りながら、基板表面に層間絶縁膜を介して配線が形成された場合にあっても、リーク電流を抑制することのでき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。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is possible to reduce the on-resistance through a gate electrode (MOS gate) having a trench electrode structure extending in the substrate depth direction (longitudinal direction), while providing an interlayer on the substrate surface. An object of the present invention is to provide a semiconductor device and a method for manufacturing the same that can suppress leakage current even when wiring is formed through an insulating film.
こうした目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、当該半導体装置の母材となる基板内に、MOS系デバイス(例えばMOSFETや、IGBT、あるいはサイリスタ(MCT)等々、MOS構造を利用した半導体素子)を構成すべく互いに対向するかたちで設けられた各々任意の導電型からなる第1の不純物領域および第2の不純物領域と、前記第2の不純物領域を囲繞するように前記基板の表面から延設され、該第2の不純物領域とは異なる導電型からなるベース領域と、前記第1および第2の不純物領域と共に前記MOS系デバイスを構成すべく、前記基板の深さ方向に延設されたトレンチの内部にゲート絶縁膜を介して埋設され、印加電圧に応じて前記ベース領域の所定の部分にチャネルを形成するゲート電極と、を備える半導体装置として、少なくとも前記ベース領域の基板表面付近に、同一の導電型で該ベース領域よりも濃度の高い拡散層が設けられた構造とする。
In order to achieve such an object, the invention according to
このように、高濃度の拡散層を設けることで、少なくとも上記ベース領域の基板表面付近においては、多数キャリア(例えばベース領域の導電型がp型であれば、正孔)の数が増大し、これに伴い、少数キャリア(例えばベース領域の導電型がp型であれば、電子)の数は、逆に減少することになる。したがって、基板表面に層間絶縁膜を介して配線が形成され、この配線に反転電位(反転電圧)が印加された場合(図25参照)であれ、基板表面付近には少数キャリアが集まりにくくなり、ひいては同基板表面付近に反転層が形成されにくくなる(換言すれば、反転層を形成するために必要となる印加電圧が高くなる)。すなわち、半導体装置としてのこのような構造によれば、基板深さ方向(縦方向)に伸長するトレンチ電極構造のゲート電極(MOSゲート)を通じて、オン抵抗の低減を図りながら、基板表面に層間絶縁膜を介して配線が形成された場合にあっても、基板表面付近に意図しない電流路(反転層)は形成され難くなり、結果、リーク電流が抑制されるようになる。 Thus, by providing a high-concentration diffusion layer, at least near the substrate surface of the base region, the number of majority carriers (for example, holes if the base region conductivity type is p-type) increases, Along with this, the number of minority carriers (for example, electrons if the conductivity type of the base region is p-type) decreases conversely. Therefore, even when a wiring is formed on the substrate surface via an interlayer insulating film and an inversion potential (inversion voltage) is applied to the wiring (see FIG. 25), minority carriers are less likely to collect near the substrate surface, As a result, the inversion layer is hardly formed near the surface of the substrate (in other words, the applied voltage required to form the inversion layer is increased). That is, according to such a structure as a semiconductor device, interlayer insulation is provided on the substrate surface while reducing on-resistance through a gate electrode (MOS gate) having a trench electrode structure extending in the substrate depth direction (longitudinal direction). Even when the wiring is formed through the film, it is difficult to form an unintended current path (inversion layer) near the substrate surface, and as a result, the leakage current is suppressed.
また、この請求項1に記載の半導体装置において、前記ベース領域に設けられた高濃度の拡散層の濃度は、前記ベース領域よりは高い濃度に設定する必要があるものの、該拡散層に係る導電型不純物の固溶度(析出されずに溶け込む不純物の最大密度)を超えるほど、これが高く設定されてしまうと、析出した不純物によって欠陥の生成が懸念されるようになる。したがって、この高濃度の拡散層の濃度は、請求項2に記載の発明によるように、該高濃度の拡散層に係る導電型不純物の固溶度を超えない範囲に設定することが望ましい。
In the semiconductor device according to
さらに発明者は、前述したリーク電流のメカニズム(発生原理)に加えて、前記第2の不純物領域の拡散(特に熱拡散)がリーク電流に寄与している可能性も、ここに示唆する。すなわち、先の図15や図16に示した従来の半導体装置において、後工程の熱処理(例えば不純物の活性化や再結晶化のための熱処理)を行った場合には、先の図25に破線にて示されるように、前記ソース領域S(第2の不純物領域)の導電型不純物(n型不純物)がp型のベース領域BSへ拡散することも懸念される。そして、このような拡散がなされた場合には、同ベース領域BSの基板表面付近で、少数キャリア(この例では、電子)の数が増加し、ここに反転層が形成され易くなったり、あるいは完全に反転してベース領域BSの一部が実質的にソース領域Sとなることによって、電流のリークに寄与するチャネル長(反転層の長さ)が短くなったりすることが、考えられる。図26に、熱処理後のベース領域BSの濃度プロファイル(p型不純物の濃度)を、発明者のシミュレーションの結果として示す。この図26に示されるように、基板表面付近の濃度は、確かに低濃度化している。 The inventor further suggests here that in addition to the above-described leakage current mechanism (generation principle), the diffusion (especially thermal diffusion) of the second impurity region may contribute to the leakage current. That is, in the conventional semiconductor device shown in FIGS. 15 and 16, when a post-process heat treatment (for example, heat treatment for impurity activation or recrystallization) is performed, a broken line in FIG. As indicated by, there is a concern that the conductive type impurity (n-type impurity) in the source region S (second impurity region) may diffuse into the p-type base region BS. When such diffusion is performed, the number of minority carriers (electrons in this example) increases near the substrate surface of the base region BS, and an inversion layer is easily formed here, or It is conceivable that the channel length (length of the inversion layer) contributing to current leakage is shortened by completely reversing and part of the base region BS becoming the source region S substantially. FIG. 26 shows a concentration profile (concentration of p-type impurity) of the base region BS after the heat treatment as a result of the inventor's simulation. As shown in FIG. 26, the concentration in the vicinity of the substrate surface is certainly reduced.
このように、前記第2の不純物領域(例えばソース領域S)の拡散(特に熱拡散)も、リーク電流に寄与していると考えられる。そこで、請求項3に記載の発明によるように、上記請求項1または2に記載の半導体装置において、前記ベース領域に設けられた高濃度の拡散層の濃度を、前記第2の不純物領域の濃度よりも大きく設定するようにすれば、該第2の不純物領域は前記ベース領域へ拡散しにくくなり、例えば後工程において所定の熱処理を施した場合であれ、同ベース領域への拡散(熱拡散)は抑制されるようになる。すなわち、この請求項3に記載の構造によれば、上記リーク電流のさらなる抑制が図られるようになる。
Thus, it is considered that the diffusion (particularly thermal diffusion) of the second impurity region (for example, the source region S) also contributes to the leakage current. Therefore, according to the invention described in
また、こうした拡散は、ダングリングボンド(未結合手)の多い不安定な基板表面付近において、特に活発に起こる。この点、請求項4に記載の発明によるように、上記請求項3に記載の半導体装置において、前記ベース領域に設けられた高濃度の拡散層を、基板表面付近において前記第2の不純物領域まで延設するようにすれば、基板表面付近における拡散が、この高濃度(第2の不純物領域よりも高濃度)の拡散層によって、より効率的に抑制されるようになる。
Such diffusion occurs particularly actively in the vicinity of an unstable substrate surface with many dangling bonds (unbonded hands). In this respect, according to the invention described in
また、請求項5に記載の発明によるように、これら請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体装置において、前記ベース領域に設けられた高濃度の拡散層を、前記基板の深さ方向へ延設される態様で形成されるものとすれば、前記基板の表面付近だけでなくより深いところまで、上記拡散が抑制されるようになる。
Further, according to the invention described in
さらにこの場合、請求項6に記載の発明によるように、前記ベース領域に設けられた高濃度の拡散層を、前記第2の不純物領域と前記ベース領域との界面に沿って延設されるものとすれば、例えば基板表面の斜め方向からのイオン注入などによって、容易にこれを形成することが可能になる。 Further, in this case, as in the sixth aspect of the invention, the high-concentration diffusion layer provided in the base region is extended along the interface between the second impurity region and the base region. Then, it can be easily formed by, for example, ion implantation from an oblique direction of the substrate surface.
またここで、前記延設される態様で設けられた高濃度の拡散層の濃度プロファイルを、請求項7に記載の発明によるように、前記基板表面付近に濃度一定の領域を有し、そこから同基板の深さ方向へ進むにつれて低濃度になるものとすれば、例えば濃度一定の領域を固溶度近くに設定するなどして、不純物を析出させずに当該拡散層全体の濃度を高くすることが、すなわち不純物の固溶度を超えない範囲で該拡散層の高濃度化を図ることが可能になる(詳しくは図4参照)。なお、こうした濃度プロファイルも、例えば基板表面の斜め方向からのイオン注入などによって、容易に形成することができる。
Further, here, the concentration profile of the high-concentration diffusion layer provided in the extended manner has a constant concentration region in the vicinity of the substrate surface as in the invention according to
また、前述した課題(リーク電流)は、MOSFET(電界効果トランジスタ)において特に顕著に現れる(しかも、トランジスタ動作に悪影響を与える)ため、上記請求項1〜7のいずれか一項に記載の発明は、請求項8に記載の発明によるように、前記第1の不純物領域および前記第2の不純物領域が、同一の導電型からなるドレイン領域(第1の不純物領域)およびソース領域(第2の不純物領域)であり、前記MOS系デバイスがMOSFETである場合に適用して特に有効である。また、低耐圧〜中耐圧(50V〜300V程度)の領域においてより低いオン抵抗の得られる半導体装置の開発、実用化が望まれていることも、前述したとおりである。
Further, since the above-described problem (leakage current) appears particularly prominently in a MOSFET (field effect transistor) (and adversely affects the transistor operation), the invention according to any one of
さらに、この請求項8に記載の半導体装置については、請求項9に記載の発明によるように、前記ベース領域と前記ドレイン領域との間に、前記ドレイン領域よりも濃度の低い同一の導電型からなるドリフト領域が介在する構造とすることが有効である。前述したように、このようなドリフト領域を設けるようにすれば、該ドリフト領域の寸法(例えば幅)の設定を通じて、例えばオン抵抗や耐圧の調整や設定についてもこれを容易に行うことが可能になる。 Further, in the semiconductor device according to claim 8, as in the invention according to claim 9, between the base region and the drain region, the same conductivity type having a lower concentration than the drain region is used. It is effective to have a structure in which a drift region is interposed. As described above, if such a drift region is provided, it is possible to easily perform adjustment and setting of on-resistance and withstand voltage, for example, through setting of the dimension (for example, width) of the drift region. Become.
ところで、トレンチ電極構造のゲート電極(MOSゲート)を採用する3次元MOSFETは、基板深く形成された上記ベース領域の抵抗成分(電位分布)に起因して、寄生的にバイポーラトランジスタ(上記ソース領域・ドレイン領域・ベース領域によって形成される寄生バイポーラ)が、生成され易くなっている。 By the way, a three-dimensional MOSFET that employs a gate electrode (MOS gate) having a trench electrode structure parasitically causes a bipolar transistor (the source region and the gate region) due to the resistance component (potential distribution) of the base region formed deep in the substrate. (Parasitic bipolar formed by the drain region and the base region) is easily generated.
この点、請求項10に記載の発明では、上記請求項9に記載の半導体装置において、前記ベース領域に設けられた高濃度の拡散層を、前記基板表面付近において前記ドリフト領域まで延設するようにしている。前述したように、ドリフト領域の幅(厚み)はオン抵抗や耐圧に影響する。詳しくは、該ドリフト領域の幅を広く(大きく)設定すれば、耐圧は大きくなる(増大する)。この請求項10に記載の構造では、基板表面付近におけるドリフト領域の幅(厚み)が、該高濃度の拡散層によって選択的に狭められているため、ドリフト領域の幅と耐圧とのこのような関係により、結果的に、ここにブレイクポイント(プレイクし易い箇所)が形成されることになる。また、ドリフト領域の幅(厚み)が基板表面付近において選択的に狭められることで、ここに電位分布(等電位線)の急カーブが形成されることにもなるため、このカーブ部における電界の集中によっても、この部分(ドリフト領域の幅狭な部分)がプレイクし易くなる。そして、こうして動作前にプレイクさえさせてしまえば、寄生バイポーラは動作(トランジスタ動作)しなくなるため、上述の寄生バイポーラの好ましくない動作についても、上記高濃度の拡散層の幅(より正確には、この拡散層がドリフト領域を侵食する程度)の設定を通じて、より容易にその抑止(防止)を図ることが可能になる。
In this regard, in the invention according to
さらにこの場合、請求項11に記載の発明によるように、前記ベース領域に設けられた高濃度の拡散層を、少なくとも前記ゲート電極よりも前記ドレイン領域側へ突き出る態様で、前記ドリフト領域まで延設されるものとすれば、前記ゲート電極(トレンチ電極)の角(コーナー部)への電界集中が緩和されるようになるため、この電界集中に起因して生じる同電極の信頼性の低下(詳しくは、電極材の劣化や、寿命(例えばTDDB)の低下など)についてもこれが、好適に抑制されるようになる(詳しくは図12参照)。 Further, in this case, as in the eleventh aspect of the invention, the high-concentration diffusion layer provided in the base region is extended to the drift region so as to protrude at least toward the drain region from the gate electrode. If this is done, the electric field concentration at the corners (corner portions) of the gate electrode (trench electrode) is relaxed, so that the reliability of the electrode is reduced due to the electric field concentration (details). This also suitably suppresses the deterioration of the electrode material and the life (for example, TDDB) (see FIG. 12 for details).
また前述したように、出力電流として大電流を得る上では、請求項12に記載の発明によるように、上記請求項1〜11のいずれか一項に記載の半導体装置において、前記ゲート電極を、所定の間隔をおいて連続的に形成されるものとし、これを、互いに電気的に並列に接続させることが望ましい。
Further, as described above, in obtaining a large current as an output current, as in the invention according to
また、これも前述したとおりであるが、基板表面付近の反転層に起因するリーク電流は、請求項13に記載の発明によるように、上記請求項1〜12のいずれか一項に記載の半導体装置において、前記基板の表面に層間絶縁膜を介して所定の配線が形成された構造(図25参照)となる場合に、特に顕著に発生するようになる。すなわち、上記請求項1〜12のいずれか一項に記載の発明は、こうした構造(請求項13に記載の構造)に適用して特に有効である。
Further, as described above, the leakage current caused by the inversion layer near the substrate surface is caused by the semiconductor according to any one of the
他方、半導体装置の製造方法としては、請求項14に記載の発明によるように、所定の導電型からなる第1の不純物領域を有する半導体基板の所望の箇所にトレンチを形成する工程と、該形成されたトレンチに適宜の半導体膜を成膜することにより、前記第1の不純物領域とは異なる導電型からなるベース領域を形成する工程と、前記トレンチの少なくとも内壁部分に形成された前記ベース領域に対して、前記半導体基板表面の斜め方向から、所定の導電型不純物をイオン注入する工程と、前記トレンチを完全に埋めるべく、該トレンチに対して適宜の半導体膜をさらに埋設することにより、所定の導電型からなる第2の不純物領域を形成する工程と、を備え、前記第1の不純物領域および前記第2の不純物領域および前記ベース領域の他にさらに、前記半導体基板の深さ方向に延設されたトレンチの内部にゲート絶縁膜を介して埋設され、前記ベース領域の所定の部分にチャネルを形成するゲート電極、を形成することによって、これら各要素をMOS系デバイスとして機能させる方法が有効である。こうした方法によれば、上記請求項5〜7のいずれか一項に記載の構造などについてもこれが、容易に実現されるようになる。
On the other hand, as a method for manufacturing a semiconductor device, a process for forming a trench at a desired location on a semiconductor substrate having a first impurity region of a predetermined conductivity type, as in the invention according to
さらにこの場合、請求項15に記載の発明によるように、前記イオン注入された導電型不純物を熱拡散させるべく、該イオン注入の工程後に、熱処理工程をさらに備える方法とすれば、前記イオン注入の実行に伴って生成された結晶欠陥などについても、これを好適に回復(再結晶化)させることが可能になる。 Further, in this case, according to the invention described in claim 15, if the method further includes a heat treatment step after the ion implantation step to thermally diffuse the ion-implanted conductive impurities, the ion implantation step is performed. It is possible to suitably recover (recrystallize) crystal defects and the like generated along with the execution.
また、請求項16に記載の発明によるように、これら請求項14または15に記載の方法も、先の請求項8に記載の発明と同様、前記第1の不純物領域および前記第2の不純物領域が、同一の導電型からなるドレイン領域(第1の不純物領域)およびソース領域(第2の不純物領域)であり、前記MOS系デバイスがMOSFETである場合に適用して特に有効である。 Further, according to the invention described in claim 16, the method according to claim 14 or 15 is similar to the invention according to claim 8 in that the first impurity region and the second impurity region. Are a drain region (first impurity region) and a source region (second impurity region) having the same conductivity type, and are particularly effective when applied to the case where the MOS device is a MOSFET.
そして、前述のドリフト領域を形成する場合には、請求項17に記載の発明によるように、前記ベース領域を形成する工程に先立つ工程として、前記形成されたトレンチに、前記ベース領域に係る半導体膜の下層として適宜の半導体膜を成膜する工程、をさらに備え、この工程を通じて形成された半導体膜を、前記ドレイン領域よりも濃度の低い同一の導電型からなって前記ベース領域と前記ドレイン領域との間に介在するドリフト領域とする方法が、特に有効である。 When the drift region is formed, the semiconductor film according to the base region is formed in the formed trench as a step prior to the step of forming the base region. Forming an appropriate semiconductor film as a lower layer of the semiconductor layer, and the semiconductor film formed through this process is formed of the same conductivity type having a lower concentration than the drain region, and the base region and the drain region. A method of using a drift region interposed between the two is particularly effective.
(第1の実施の形態)
以下、図1および図2を参照して、この発明に係る半導体装置およびその製造方法を具体化した第1の実施の形態について説明する。なお、この実施の形態の半導体装置としても、先の図15に例示した半導体装置と同様、基板の深さ方向をチャネル幅方向とするようなチャネルを形成すべく、ソース・ドレイン間の電流を制御するゲート電極(MOSゲート)について基板深さ方向に伸長するトレンチ電極構造を採用した、いわゆる3次元パワーMOSFETを想定している。
(First embodiment)
A first embodiment of a semiconductor device and a method for manufacturing the same according to the present invention will be described below with reference to FIGS. In the semiconductor device of this embodiment as well, as in the semiconductor device illustrated in FIG. 15, the current between the source and the drain is formed in order to form a channel in which the depth direction of the substrate is the channel width direction. A so-called three-dimensional power MOSFET is assumed that employs a trench electrode structure extending in the substrate depth direction for a gate electrode (MOS gate) to be controlled.
図1は、このトランジスタの概略構造を示す平面図、図2(a)は、図1中のA−A’線に沿った断面図、図2(b)は、図1中のB−B’線に沿った断面図、図2(c)は、図1中のC−C’線に沿った断面図である。なお、ここでは、先の図15の平面図でいうところの一部のみを拡大して示し、同図15に示した装置に準ずる部分である装置全体の概略構造についてはその図示を割愛している。しかし、この実施の形態に係るトランジスタにおいても、トレンチT1(エピトレンチ)は、母材となる基板(例えばシリコン基板)に、所定の間隔(ここでは等間隔)をおいて連続的に形成されており、同トレンチT1内に形成される各種の要素(当該トランジスタの構成要素)は各々、これらトレンチT1間で並列に接続されて用いられるようになっている(なお、最終的にはこれを、例えば「1〜10(mm)」角ごとにチップとして切り出し、封止・検査工程等を経た後、完成品(製品)とする)。また、各端子SEおよびDEおよびGEの引き出し態様(接続態様)も、基本的には、先の図15(および図16)に例示した装置と同様である。さらに、基板の表面には、先の図25に例示した装置と同様、適宜の絶縁材料(例えば酸化シリコン)からなる層間絶縁膜を介して、適宜の配線材(例えばアルミニウム)からなる配線が形成されている。 1 is a plan view showing a schematic structure of the transistor, FIG. 2A is a cross-sectional view taken along line AA ′ in FIG. 1, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. FIG. 2C is a cross-sectional view taken along the line CC ′ in FIG. 1. Here, only a part of the plan view shown in FIG. 15 is shown in an enlarged manner, and the schematic structure of the entire apparatus, which is a part equivalent to the apparatus shown in FIG. Yes. However, also in the transistor according to this embodiment, the trench T1 (epi-trench) is continuously formed on the base material (for example, a silicon substrate) with a predetermined interval (here, equal intervals). In addition, various elements (components of the transistor) formed in the trench T1 are used by being connected in parallel between the trenches T1 (in the end, For example, “1 to 10 (mm)” corners are cut out as chips and subjected to a sealing / inspection process and the like, and then a finished product (product). Further, the manner of pulling out (connecting) the terminals SE, DE, and GE is basically the same as the device illustrated in FIG. 15 (and FIG. 16). Further, wiring made of a suitable wiring material (for example, aluminum) is formed on the surface of the substrate through an interlayer insulating film made of a suitable insulating material (for example, silicon oxide), as in the apparatus illustrated in FIG. Has been.
同図1および図2に示されるように、このトランジスタも、基本的には、先の図15に例示した半導体装置に準じた構造を有して構成されている。ただしここでは、上記ベース領域BSの基板表面付近に、該ベース領域BSよりも濃度の高いp型の拡散層SPをさらに設け、この部分における反転層(チャネル)の形成、ひいてはリーク電流の発生を抑制するようにしている。 As shown in FIGS. 1 and 2, this transistor is also basically configured to have a structure according to the semiconductor device illustrated in FIG. However, here, a p-type diffusion layer SP having a concentration higher than that of the base region BS is further provided in the vicinity of the substrate surface of the base region BS, so that an inversion layer (channel) is formed in this portion, and a leakage current is generated. I try to suppress it.
すなわち、このトランジスタにおいても、基板内部には、互いに対向する(詳しくは、図中のY方向およびZ方向に対向する)n型のソース領域S(第2の不純物領域)およびドレイン領域D(第1の不純物領域)が設けられており、当該基板の表面からは、p型のベース領域BSが、隣接する上記ソース領域Sを囲繞するように延設されている。そして、該ベース領域BSおよび上記ドレイン領域Dの間には、上記ドレイン領域Dよりも濃度の低いn型からなるドリフト領域DFが設けられている。ただし、上記ベース領域BSの基板表面付近には、上述のように、該ベース領域BSよりも濃度の高いp型の拡散層SPがさらに設けられている。 That is, also in this transistor, n-type source region S (second impurity region) and drain region D (first region) facing each other (specifically, facing the Y direction and Z direction in the figure) are formed inside the substrate. 1 impurity region) is provided, and a p-type base region BS extends from the surface of the substrate so as to surround the adjacent source region S. Between the base region BS and the drain region D, an n-type drift region DF having a lower concentration than the drain region D is provided. However, a p-type diffusion layer SP having a higher concentration than the base region BS is further provided near the substrate surface of the base region BS as described above.
ちなみに、この実施の形態においては、これら各要素の寸法および濃度が、次のように設定されている。
・ドレイン領域D(導電型:n+):幅(Y方向)が「2〜20(μm)」に、不純物濃度が「1×1018〜1×1020(atoms/cm3)」に設定されている。
・ソース領域S(導電型:n+):幅(Y方向)が「1〜20(μm)」に、不純物濃度が「1×1018〜1×1021(atoms/cm3)」に設定されている。
・ドリフト領域DF(導電型:n−):幅(Y方向)が「2〜30(μm)」に、不純物濃度が「1×1014〜1×1016(atoms/cm3)」に設定されている。
・ベース領域BS(導電型:p):幅(Y方向)が「0.5〜4(μm)」に、不純物濃度が「1×1016〜1×1018(atoms/cm3)」に設定されている。
・拡散層SP(導電型:p+):深さ(Z方向)が、「5(μm)」以下、もしくはベース領域BSの深さの「20(%)」以下に(この深さは、チャネル領域の減少がオン抵抗へ与える影響を考慮しつつ設定する)、また幅(Y方向)が、「0.5〜4(μm)」(ただし、ベース領域BS内に収まる(同一の幅も含む)範囲)に設定されている。また、不純物濃度は、上記ベース領域BSおよびソース領域Sよりも高濃度な範囲で、且つ、該拡散層SPに係る導電型不純物の固溶度を超えない範囲、例えば「1×1016〜1×1021(atoms/cm3)」(ただし、上記ベース領域BSおよびソース領域Sの濃度を考慮すれば、より好ましい範囲は「1×1018〜1×1020(atoms/cm3)」となる)に設定されている。
Incidentally, in this embodiment, the dimensions and concentrations of these elements are set as follows.
Drain region D (conductivity type: n + ): width (Y direction) is set to “2 to 20 (μm)” and impurity concentration is set to “1 × 10 18 to 1 × 10 20 (atoms / cm 3 )” Has been.
Source region S (conductivity type: n + ): width (Y direction) set to “1 to 20 (μm)” and impurity concentration set to “1 × 10 18 to 1 × 10 21 (atoms / cm 3 )” Has been.
Drift region DF (conductivity type: n − ): width (Y direction) set to “2 to 30 (μm)” and impurity concentration set to “1 × 10 14 to 1 × 10 16 (atoms / cm 3 )” Has been.
Base region BS (conductivity type: p): width (Y direction) is “0.5 to 4 (μm)” and impurity concentration is “1 × 10 16 to 1 × 10 18 (atoms / cm 3 )”. Is set.
Diffusion layer SP (conductivity type: p + ): The depth (Z direction) is “5 (μm)” or less, or “20 (%)” or less of the depth of the base region BS (this depth is The width (Y direction) is set to “0.5 to 4 (μm)” (however, it falls within the base region BS (the same width is also used)). Including)) range). The impurity concentration is higher than that of the base region BS and the source region S and does not exceed the solid solubility of the conductive impurity related to the diffusion layer SP, for example, “1 × 10 16 −1”. × 10 21 (atoms / cm 3 ) ”(however, considering the concentrations of the base region BS and the source region S, a more preferable range is“ 1 × 10 18 to 1 × 10 20 (atoms / cm 3 ) ”. Is set).
またここで、上記ドレイン領域Dおよびソース領域Sおよびドリフト領域DFおよびベース領域BSの濃度プロファイルは、基板の深さ方向について濃度が均一になるようなプロファイル(分布)となっている。 Here, the concentration profile of the drain region D, the source region S, the drift region DF, and the base region BS is a profile (distribution) that makes the concentration uniform in the depth direction of the substrate.
そして、このトランジスタにおいても、先の図15に例示した装置と同様、上記ソース領域Sおよびベース領域BSを基板の深さ方向(図中のZ方向)に貫通するようにトレンチTを設け、さらにこのトレンチTの内部に、例えば酸化シリコンからなるゲート絶縁膜GIを介して、例えば多結晶シリコンからなるゲート電極Gを埋設するようにしている。すなわち、このトランジスタにおいても、該ゲート電極Gへの電圧(ゲート電圧)の印加に伴い、同ゲート電極Gと隣接する上記ベース領域BSの所定の部分(詳しくはゲート電極Gとの隣接部分)に、図中のZ方向およびY方向をチャネル幅方向とするチャネルが形成され、図中のY方向およびZ方向へそれぞれ電流が流れるようになっている。また、当該トランジスタの出力として大電流を得るべく、こうしたゲート電極Gは、所定の間隔をおいて連続的に形成され、図1に示すように、これらが互いに電気的に並列接続されることにより、1つの信号をもってその各々に略同時に電圧(ゲート電圧)が印加されるようになっている。 Also in this transistor, as in the device illustrated in FIG. 15, a trench T is provided so as to penetrate the source region S and the base region BS in the depth direction of the substrate (Z direction in the drawing). A gate electrode G made of, for example, polycrystalline silicon is embedded in the trench T via a gate insulating film GI made of, for example, silicon oxide. That is, also in this transistor, as a voltage (gate voltage) is applied to the gate electrode G, a predetermined portion of the base region BS adjacent to the gate electrode G (specifically, a portion adjacent to the gate electrode G) is applied. Channels having the Z direction and Y direction in the figure as the channel width direction are formed, and currents flow in the Y direction and Z direction in the figure, respectively. Further, in order to obtain a large current as an output of the transistor, such gate electrodes G are continuously formed at a predetermined interval, and these are electrically connected in parallel as shown in FIG. A voltage (gate voltage) is applied to each of the signals almost simultaneously.
なお、こうしたトランジスタも、基本的には、先の図17〜図23に例示した方法に準ずる方法をもって、製造することができる。ただし、このトランジスタでは、新たに拡散層SPが設けられているため、このトランジスタを製造する際には、例えば前述の半導体膜2〜4形成後の平坦化工程(図20)の後、あるいはゲート電極G形成後の平坦化(エッチバック)工程(図23)の後などに、こうした拡散層SPを形成する工程が新たに必要となる。すなわち、例えば上記ベース領域BSの基板表面付近に対してイオン注入を行った後、その注入された導電型不純物(p型)を活性化する(適宜の熱処理を施す)などして、上記拡散層SPを形成するようにする。
Note that such a transistor can also be basically manufactured by a method similar to the method illustrated in FIGS. However, since the diffusion layer SP is newly provided in this transistor, when manufacturing this transistor, for example, after the planarization step (FIG. 20) after the formation of the
そして、以上説明したこの実施の形態に係る半導体装置およびその製造方法によれば、以下のような優れた効果が得られるようになる。
(1)3次元パワーMOSFET(電界効果トランジスタ)として、p型のベース領域BSの基板表面付近に、該ベース領域BSよりも濃度の高いp型の拡散層SPが設けられた構造とした。このように、高濃度の拡散層SPを設けることで、少なくとも上記ベース領域の基板表面付近においては、少数キャリア(ここでは電子)の数が減少する。これにより、基板表面に層間絶縁膜を介して配線が形成され、この配線に反転電位(反転電圧)が印加された場合(図25参照)であれ、基板表面付近には少数キャリアが集まりにくくなり、同基板表面付近に前述の反転層が形成されにくくなる(換言すれば、反転層を形成するために必要となる印加電圧が高くなる)。すなわち、基板深さ方向に伸長するトレンチ電極構造のゲート電極Gを通じて、オン抵抗の低減を図りながら、前述したリーク電流についても、これが好適に抑制されるようになる。
Then, according to the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to this embodiment described above, the following excellent effects can be obtained.
(1) The three-dimensional power MOSFET (field effect transistor) has a structure in which a p-type diffusion layer SP having a concentration higher than that of the base region BS is provided near the substrate surface of the p-type base region BS. Thus, by providing the high-concentration diffusion layer SP, the number of minority carriers (here, electrons) decreases at least near the substrate surface of the base region. As a result, a wiring is formed on the substrate surface via an interlayer insulating film, and even when an inversion potential (inversion voltage) is applied to the wiring (see FIG. 25), minority carriers are less likely to collect near the substrate surface. This makes it difficult to form the inversion layer near the surface of the substrate (in other words, the applied voltage required to form the inversion layer increases). That is, the above-described leakage current is suitably suppressed while reducing the on-resistance through the gate electrode G having a trench electrode structure extending in the substrate depth direction.
(2)トレンチ電極構造のゲート電極Gを、基板の深さ方向に向かってソース領域Sおよびベース領域BSを共に貫通するように形成した。これにより、1つの方向だけでなく2方向(図1中のY方向およびZ方向)にチャネルが形成されるようになり、より大きな電流の制御が可能になる。 (2) The gate electrode G having a trench electrode structure is formed so as to penetrate both the source region S and the base region BS in the depth direction of the substrate. As a result, channels are formed not only in one direction but also in two directions (the Y direction and the Z direction in FIG. 1), and a larger current can be controlled.
(3)拡散層SPの濃度を、該拡散層SPに係る導電型不純物の固溶度を超えない範囲に設定した。これにより、不純物の析出に起因した欠陥の生成などについても、その防止が好適に図られるようになる。 (3) The concentration of the diffusion layer SP is set in a range that does not exceed the solid solubility of the conductive impurities related to the diffusion layer SP. As a result, it is possible to appropriately prevent the generation of defects caused by the precipitation of impurities.
(4)さらに、この拡散層SPの濃度を、上記ソース領域S(第2の不純物領域)の濃度よりも大きく設定するようにした。これにより、該ソース領域Sはベース領域BSへ拡散しにくくなり、例えば後工程において所定の熱処理を施した場合であれ、同ベース領域BSへの拡散(熱拡散)は抑制されるようになる。すなわち、こうすることで、前述のリーク電流に対する耐性がさらに高められることになる(詳しくは、図26のシミュレーション結果も参照)。 (4) Further, the concentration of the diffusion layer SP is set higher than the concentration of the source region S (second impurity region). As a result, the source region S is less likely to diffuse into the base region BS, and diffusion (thermal diffusion) into the base region BS is suppressed even when, for example, a predetermined heat treatment is performed in a subsequent process. That is, by doing so, the resistance against the above-described leakage current is further enhanced (for details, see also the simulation result of FIG. 26).
(5)MOS系デバイスの中でも、特にMOSFET(電界効果トランジスタ)として、当該半導体装置を構成するようにした。これにより、前述した低耐圧〜中耐圧(50V〜300V程度)の領域(図24参照)にあっても、当該半導体装置(トランジスタ)を、より低いオン抵抗で動作させることが可能になる。 (5) Among the MOS-based devices, the semiconductor device is configured as a MOSFET (field effect transistor). This makes it possible to operate the semiconductor device (transistor) with a lower on-resistance even in the above-described low breakdown voltage to medium breakdown voltage (about 50 V to 300 V) region (see FIG. 24).
(6)p型のベース領域BSとn型のドレイン領域Dとの間に、ドレイン領域Dよりも濃度の低いn型のドリフト領域DFが介在する構造とした。これにより、該ドリフト領域DFの寸法(例えば幅)の設定を通じて、より容易に、オン抵抗や耐圧の調整や設定を行うことが可能になる。 (6) The n-type drift region DF having a lower concentration than the drain region D is interposed between the p-type base region BS and the n-type drain region D. Thereby, it becomes possible to adjust and set the on-resistance and the breakdown voltage more easily through the setting of the dimension (for example, width) of the drift region DF.
(7)上記ドレイン領域Dおよびソース領域Sおよびドリフト領域DFおよびベース領域BSの濃度プロファイルを、基板の深さ方向について濃度が均一になるようなプロファイル(分布)とした。これにより、トランジスタが動作したときにチャネルに流れる電流が深さ方向に偏ることなく一定になる。このため、チャネル抵抗の低減、ひいてはオン抵抗の低減が図られるようになる。また、寄生トランジスタの動作(オン駆動)を抑制することも可能になり、空乏層の伸びが抑制されることによって、パンチスルーも起こりにくくなる。 (7) The concentration profile of the drain region D, the source region S, the drift region DF, and the base region BS is a profile (distribution) that makes the concentration uniform in the depth direction of the substrate. As a result, the current flowing through the channel when the transistor is operated becomes constant without being biased in the depth direction. For this reason, it is possible to reduce the channel resistance and hence the on-resistance. In addition, it is possible to suppress the operation (ON drive) of the parasitic transistor, and the punch-through is less likely to occur by suppressing the extension of the depletion layer.
(8)トレンチ電極構造のゲート電極Gを、所定の間隔をおいて連続的に形成されるものとし、これを、互いに電気的に並列に接続させるようにした。これにより、当該トランジスタの出力として大電流が得られるようになる。 (8) The gate electrode G having a trench electrode structure is formed continuously at a predetermined interval, and is electrically connected to each other in parallel. Thereby, a large current can be obtained as the output of the transistor.
(9)また、基板の表面に層間絶縁膜を介して所定の配線が形成された構造とした。こうした構造であっても、本発明を適用すれば、前述したリーク電流(図25参照)は大幅に抑制されるようになる。 (9) Further, a predetermined wiring is formed on the surface of the substrate through an interlayer insulating film. Even in such a structure, if the present invention is applied, the above-described leakage current (see FIG. 25) can be greatly suppressed.
(第2の実施の形態)
次に、図3〜図5を参照して、この発明に係る半導体装置およびその製造方法を具体化した第2の実施の形態について説明する。ただし、図3(図2(a)に対応する断面図)に示されるように、この実施の形態に係る装置も、基本的には、先の第1の実施の形態の装置に準ずる構造を有しているため、便宜上、共通の構造(もしくは動作)に関する説明は割愛する。すなわち、ここでは主に、上記第1の実施の形態の装置との相違点について説明する。
(Second Embodiment)
Next, with reference to FIGS. 3 to 5, a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to a second embodiment of the invention will be described. However, as shown in FIG. 3 (a cross-sectional view corresponding to FIG. 2A), the apparatus according to this embodiment also basically has a structure similar to that of the apparatus of the first embodiment. Therefore, for the sake of convenience, description of the common structure (or operation) is omitted. That is, here, the difference from the apparatus of the first embodiment will be mainly described.
はじめに、図3および図4を参照して、このトランジスタの構造について詳述する。なお、図3は、このトランジスタの概略構造を示す断面図(先の図1や図2に示した要素と同一の要素には各々同一の符号を付して図示)、図4は、拡散層SPの濃度プロファイルを示すグラフである。また、同図4において、(a)は、第1の実施の形態の装置に係る拡散層SPの濃度プロファイルを示しており、また(b)は、この第2の実施の形態の装置に係る拡散層SPの濃度プロファイルを示している。 First, the structure of this transistor will be described in detail with reference to FIGS. 3 is a cross-sectional view showing the schematic structure of this transistor (the same elements as those shown in FIGS. 1 and 2 are given the same reference numerals), and FIG. 4 is a diffusion layer. It is a graph which shows the density | concentration profile of SP. 4A shows the concentration profile of the diffusion layer SP according to the device of the first embodiment, and FIG. 4B shows the device according to the device of the second embodiment. The concentration profile of the diffusion layer SP is shown.
図3に示されるように、この実施の形態においては、高濃度の拡散層SPが、基板の深さ方向に延設される態様で設けられている。詳しくは、p型のベース領域BSとn型のソース領域Sとの界面に沿って延設されている。すなわちこれにより、基板の表面付近だけでなくより深いところまで、上記ソース領域Sの拡散(特に熱拡散)が抑制されるようになっている。 As shown in FIG. 3, in this embodiment, the high-concentration diffusion layer SP is provided so as to extend in the depth direction of the substrate. Specifically, it extends along the interface between the p-type base region BS and the n-type source region S. That is, this suppresses diffusion (particularly thermal diffusion) of the source region S not only near the surface of the substrate but also deeper.
しかも、図4(b)に示されるように、この拡散層SPの濃度プロファイルは、基板表面付近に濃度一定の領域を有し、そこから同基板の深さ方向へ進むにつれて低濃度になる傾向(特性)をもっている。 Moreover, as shown in FIG. 4B, the concentration profile of the diffusion layer SP has a constant concentration region in the vicinity of the substrate surface, and tends to become lower as the depth of the substrate advances from there. (Characteristics)
詳しくは、先の第1の実施の形態の装置においては、図4(a)に示されるように、上記拡散層SPが、基板表面付近に比較的急峻なピーク(最高度)をもつ濃度プロファイルとなっている。これに対し、この第2の実施の形態の装置においては、図4(b)に示されるように、同拡散層SPが、基板表面付近に濃度一定の領域をもつ濃度プロファイルとなっている。換言すれば、この濃度プロファイルでは、ピークが存在しない、あるいはピークが平坦になっている。このため、この濃度一定の領域を固溶度近くに設定することで、不純物の固溶度を超えない範囲で(不純物を析出させずに)、当該拡散層SP全体の濃度を高くすることが可能になる。 Specifically, in the apparatus of the first embodiment, as shown in FIG. 4A, the diffusion layer SP has a concentration profile having a relatively steep peak (maximum degree) near the substrate surface. It has become. On the other hand, in the apparatus according to the second embodiment, as shown in FIG. 4B, the diffusion layer SP has a concentration profile having a constant concentration region near the substrate surface. In other words, in this concentration profile, no peak exists or the peak is flat. For this reason, by setting this constant concentration region close to the solid solubility, the concentration of the entire diffusion layer SP can be increased within a range not exceeding the solid solubility of the impurity (without depositing impurities). It becomes possible.
次に、図5(a)〜(e)を参照して、この実施の形態に係る半導体装置の製造方法について詳述する。なお、これら図5(a)〜(e)も、先の図2(a)に対応する断面図である。 Next, with reference to FIGS. 5A to 5E, a method of manufacturing the semiconductor device according to this embodiment will be described in detail. 5A to 5E are also cross-sectional views corresponding to FIG. 2A.
図5(a)に示すように、この装置の製造に際しても、まずは、例えばn型のシリコンからなる半導体基板1を用意し、先の図17〜図19に示した工程に準ずる工程を経て、トレンチT1を形成した後、基板1よりも濃度の低いn型のシリコンからなる半導体膜2、そしてp型のシリコンからなる半導体膜3を、同基板1の表面に順次堆積形成する。ただし、この実施の形態においては、半導体膜4(図19)の形成に先立ち、図5(b)に示すように、トレンチT1に形成されたベース領域BSに対して(特に同領域BSのトレンチT1内壁部分に対して)、基板表面の斜め方向から(便宜上、一方向のみ図示)、所定の導電型不純物(例えばボロン)をイオン注入して、基板の深さ方向に延伸する高濃度(p型)の拡散層D1を形成するようにしている。なおこの際、基板1に対するイオン注入の方向は、例えば同基板1を傾けることによって、所望とされる角度に設定する。
As shown in FIG. 5 (a), when manufacturing this device, first, a
さらに、該イオン注入された導電型不純物を熱拡散させるべく、適宜の熱処理(例えば、温度「800〜1000」℃で、「5〜20」分間)を施した後、図5(c)に示すように、上記トレンチT1を完全に埋めるべく、例えばn型のシリコン(もしくは多結晶シリコン)からなる半導体膜4を成膜する。そして、先の図20に示した工程に準ずる工程を経て、図5(d)に示すように、基板1の表面を平坦化する。
Further, in order to thermally diffuse the ion-implanted conductive impurities, an appropriate heat treatment (for example, at a temperature of “800 to 1000” ° C. for “5 to 20” minutes) is performed, and then shown in FIG. Thus, in order to completely fill the trench T1, the
そうして、先の図21〜図23に示した工程に準ずる工程を経て、トレンチT、ゲート電極Gや、各種の配線(電極)、さらには保護膜等を形成することによって、図5(e)に示されるように、このトランジスタは完成する。すなわち、この実施の形態に係る製造工程(製造方法)にあっても、基板1がドレイン領域D、半導体膜2がドリフト領域DF、半導体膜3がベース領域BS、半導体膜4がソース領域Sとなり、さらに拡散層D1が拡散層SPとなる。
Then, through a process similar to the process shown in FIGS. 21 to 23, a trench T, a gate electrode G, various wirings (electrodes), a protective film, and the like are formed. This transistor is completed as shown in e). That is, even in the manufacturing process (manufacturing method) according to this embodiment, the
以上説明したように、この実施の形態に係る半導体装置およびその製造方法によれば、第1の実施の形態による前記(1)〜(9)の効果と同様の効果もしくはそれに準じた効果に加え、さらに次のような効果も得られるようになる。 As described above, according to the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present embodiment, in addition to the effects similar to the effects (1) to (9) according to the first embodiment or effects equivalent thereto. In addition, the following effects can be obtained.
(10)上記高濃度の拡散層SPを、基板の深さ方向へ延設される様に形成した。これにより、基板の表面付近だけでなくより深いところまで、前述のソース領域Sの拡散(詳しくは図25や図26を参照)が抑制されるようになる。 (10) The high concentration diffusion layer SP is formed so as to extend in the depth direction of the substrate. As a result, the diffusion of the source region S described above (see FIGS. 25 and 26 for details) is suppressed not only near the surface of the substrate but also deeper.
(11)しかも、この拡散層SPを、p型のベース領域BSとn型のソース領域Sとの界面に沿って延設するようにしたことで、その形成も容易である。
(12)さらに、この拡散層SPの濃度プロファイルを、基板表面付近に濃度一定の領域を有し、そこから同基板の深さ方向へ進むにつれて低濃度になるものとした(図4(b)参照)。これにより、不純物の固溶度を超えない範囲で(不純物を析出させずに)、当該拡散層SP全体の濃度を高くする(高濃度化を図る)ことが可能になる。
(11) Moreover, since the diffusion layer SP extends along the interface between the p-type base region BS and the n-type source region S, the formation thereof is easy.
(12) Further, the concentration profile of the diffusion layer SP has a region where the concentration is constant near the substrate surface, and becomes lower as the substrate proceeds in the depth direction (FIG. 4B). reference). This makes it possible to increase the concentration of the entire diffusion layer SP (to increase the concentration) within a range that does not exceed the solid solubility of the impurities (without depositing impurities).
(13)また、当該半導体装置(MOSFET)の製造方法としては、図5に示すような方法(製造工程)を採用した。これにより、上記形態を有する拡散層SPの形成も容易となる。 (13) Further, as a method for manufacturing the semiconductor device (MOSFET), a method (manufacturing process) as shown in FIG. 5 was adopted. This facilitates formation of the diffusion layer SP having the above-described form.
(14)また、半導体膜3(ベース領域BS)を形成する工程に先立つ工程として、該半導体膜3(ベース領域BS)の下層となる半導体膜2(ドリフト領域DF)を形成するようにしたことで、上記ドリフト領域DFの形成も容易に行うことができる。 (14) Further, as a step prior to the step of forming the semiconductor film 3 (base region BS), the semiconductor film 2 (drift region DF) which is the lower layer of the semiconductor film 3 (base region BS) is formed. Thus, the drift region DF can be easily formed.
(15)先のイオン注入工程(図5(b)参照)によって基板内へ導入された導電型不純物を熱拡散させるべく、該イオン注入の工程後に、熱処理工程を設けるようにした。これにより、該イオン注入の実行に伴って生成された結晶欠陥などについても、これを好適に回復(再結晶化)させることが可能になる。 (15) In order to thermally diffuse the conductive impurities introduced into the substrate in the previous ion implantation step (see FIG. 5B), a heat treatment step is provided after the ion implantation step. As a result, it is possible to suitably recover (recrystallize) crystal defects and the like generated with the execution of the ion implantation.
(第3の実施の形態)
次に、図6および図7を参照して、この発明に係る半導体装置およびその製造方法を具体化した第3の実施の形態について説明する。ただし、これら図6および図7(図1および図2に対応する平面図および断面図)に示されるように、この実施の形態に係る装置も、基本的には、先の第1の実施の形態の装置に準ずる構造を有しているため、便宜上、共通の部分に関する説明は割愛する。すなわち、ここでは主に、上記第1の実施の形態の装置との相違点について説明する。
(Third embodiment)
Next, with reference to FIG. 6 and FIG. 7, a third embodiment embodying the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention will be described. However, as shown in FIGS. 6 and 7 (a plan view and a cross-sectional view corresponding to FIGS. 1 and 2), the apparatus according to this embodiment is basically the same as the first embodiment. Since it has a structure similar to that of the apparatus of the embodiment, description of common parts is omitted for convenience. That is, here, the difference from the apparatus of the first embodiment will be mainly described.
以下、図6および図7を参照して、このトランジスタの概要について詳述する。なお、図6は、このトランジスタの概略構造を示す平面図、図7(a)は、図6中のA−A’線に沿った断面図、図7(b)は、図6中のB−B’線に沿った断面図、図7(c)は、図6中のC−C’線に沿った断面図である。また、これら各図においては、先の図1や図2に示した要素と同一の要素に各々、同一の符号を付して示している。 Hereinafter, the outline of the transistor will be described in detail with reference to FIGS. 6 is a plan view showing a schematic structure of the transistor, FIG. 7A is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG. 6, and FIG. FIG. 7C is a cross-sectional view taken along line CC ′ in FIG. 6. In these drawings, the same elements as those shown in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals.
同図6および図7に示されるように、この実施の形態においては、高濃度の拡散層SPを、基板表面付近においてソース領域Sまで延設するようにしている。これにより、前述のソース領域Sの拡散(詳しくは図25や図26を参照)が、特に活発な基板表面付近において、積極的に且つ効率的に抑制されるようになる。 As shown in FIGS. 6 and 7, in this embodiment, the high concentration diffusion layer SP is extended to the source region S in the vicinity of the substrate surface. As a result, the diffusion of the source region S described above (refer to FIG. 25 and FIG. 26 for details) is actively and efficiently suppressed especially near the active substrate surface.
ちなみに、この実施の形態においては、この拡散層SPの寸法が、次のように設定されている(濃度および濃度プロファイルは、第1の実施の形態と同様)。
・拡散層SP(導電型:p+):深さ(Z方向)が、「5(μm)」以下、もしくはベース領域BSの深さの「20(%)」以下に(この深さは、チャネル領域の減少がオン抵抗へ与える影響を考慮しつつ設定する)、また幅(Y方向)が、「1.0〜10(μm)」(ただし、当該拡散層SPがソース領域S内にも位置する範囲)に設定されている。
Incidentally, in this embodiment, the dimension of the diffusion layer SP is set as follows (the concentration and the concentration profile are the same as those in the first embodiment).
Diffusion layer SP (conductivity type: p + ): The depth (Z direction) is “5 (μm)” or less, or “20 (%)” or less of the depth of the base region BS (this depth is The width (Y direction) is set to “1.0 to 10 (μm)” (however, the diffusion layer SP is also included in the source region S). The range is set.
以上説明したように、この実施の形態に係る半導体装置およびその製造方法によれば、第1の実施の形態による前記(1)〜(9)の効果と同様の効果もしくはそれに準じた効果に加え、さらに次のような効果も得られるようになる。 As described above, according to the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present embodiment, in addition to the effects similar to the effects (1) to (9) according to the first embodiment or effects equivalent thereto. In addition, the following effects can be obtained.
(16)上記高濃度の拡散層SPを、基板表面付近においてソース領域Sまで延設するようにしたことで、基板表面付近における拡散(詳しくはソース領域Sの拡散)が、この高濃度(ソース領域Sよりも高濃度)の拡散層SPによって、より効率的に抑制されるようになる。 (16) The high concentration diffusion layer SP is extended to the source region S in the vicinity of the substrate surface, so that the diffusion in the vicinity of the substrate surface (specifically, the diffusion of the source region S) is caused by this high concentration (source The diffusion layer SP having a higher concentration than the region S is more efficiently suppressed.
(第4の実施の形態)
次に、図8および図9を参照して、この発明に係る半導体装置およびその製造方法を具体化した第4の実施の形態について説明する。ただし、これら図8および図9(図1および図2に対応する平面図および断面図)に示されるように、この実施の形態に係る装置も、基本的には、先の第1の実施の形態の装置に準ずる構造を有しているため、便宜上、共通の部分に関する説明は割愛する。すなわち、ここでは主に、上記第1の実施の形態の装置との相違点について説明する。
(Fourth embodiment)
Next, with reference to FIG. 8 and FIG. 9, a fourth embodiment embodying the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention will be described. However, as shown in FIGS. 8 and 9 (a plan view and a cross-sectional view corresponding to FIGS. 1 and 2), the apparatus according to this embodiment is basically the same as the first embodiment. Since it has a structure similar to that of the apparatus of the embodiment, description of common parts is omitted for convenience. That is, here, the difference from the apparatus of the first embodiment will be mainly described.
以下、図8および図9を参照して、このトランジスタの概要について詳述する。なお、図8は、このトランジスタの概略構造を示す平面図、図9(a)は、図8中のA−A’線に沿った断面図、図9(b)は、図8中のB−B’線に沿った断面図、図9(c)は、図8中のC−C’線に沿った断面図である。また、これら各図においては、先の図1や図2に示した要素と同一の要素に各々、同一の符号を付して示している。 The outline of this transistor will be described in detail below with reference to FIGS. 8 is a plan view showing a schematic structure of the transistor, FIG. 9A is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG. 8, and FIG. 9B is a cross-sectional view along B in FIG. FIG. 9C is a cross-sectional view taken along the line CC ′ in FIG. 8. In these drawings, the same elements as those shown in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals.
同図8および図9に示されるように、この実施の形態においては、高濃度の拡散層SPを、基板表面付近においてドリフト領域DFまで延設するようにしている。これにより、基板表面付近におけるドリフト領域DFの幅(厚み)が、該拡散層SPによって選択的に狭められ、ここにブレイクポイント(プレイクし易い箇所)が形成されるようになる。また、ドリフト領域DFの幅(厚み)が基板表面付近において選択的に狭められることで、ここに電位分布の急カーブが形成されることにもなるため、このカーブ部における電界の集中によっても、この部分(ドリフト領域の幅狭な部分)がプレイクし易くなる。 As shown in FIGS. 8 and 9, in this embodiment, the high concentration diffusion layer SP is extended to the drift region DF in the vicinity of the substrate surface. As a result, the width (thickness) of the drift region DF in the vicinity of the substrate surface is selectively narrowed by the diffusion layer SP, and a break point (a place where it is easy to make a break) is formed here. In addition, since the width (thickness) of the drift region DF is selectively narrowed in the vicinity of the substrate surface, a sharp curve of the potential distribution is also formed here. This portion (the narrow portion of the drift region) can be easily plunged.
このように、この実施の形態に係る半導体装置(トランジスタ)においては、基板表面付近における拡散層SPとドリフト領域DFとの間(境界)に、ブレイクポイントが形成される。このため、前述した寄生バイポーラ(ソース領域S・ドレイン領域D・ベース領域BSによって形成される寄生バイポーラ)の好ましくない動作(詳しくは「課題を解決するための手段」の記載を参照)についても、拡散層SPの幅(より正確には、該拡散層SPがドリフト領域DFを侵食する程度)の設定を通じて、より容易にその抑止(防止)を図ることが可能になる。 Thus, in the semiconductor device (transistor) according to this embodiment, a break point is formed between the diffusion layer SP and the drift region DF (boundary) in the vicinity of the substrate surface. For this reason, the undesired operation of the parasitic bipolar (the parasitic bipolar formed by the source region S, the drain region D, and the base region BS) (see the description of “Means for Solving the Problems” for details) By setting the width of the diffusion layer SP (more precisely, the extent to which the diffusion layer SP erodes the drift region DF), it is possible to more easily suppress (prevent) the diffusion layer SP.
ちなみに、この実施の形態においては、この拡散層SPの寸法が、次のように設定されている(濃度および濃度プロファイルは、第1の実施の形態と同様)。
・拡散層SP(導電型:p+):深さ(Z方向)が、「5(μm)」以下、もしくはベース領域BSの深さの「20(%)」以下に(この深さは、チャネル領域の減少がオン抵抗へ与える影響を考慮しつつ設定する)、また幅(Y方向)が、「1.0〜10(μm)」(ただし、当該拡散層SPがドリフト領域DF内にも位置する範囲)に設定されている。
Incidentally, in this embodiment, the dimension of the diffusion layer SP is set as follows (the concentration and the concentration profile are the same as those in the first embodiment).
Diffusion layer SP (conductivity type: p + ): The depth (Z direction) is “5 (μm)” or less, or “20 (%)” or less of the depth of the base region BS (this depth is The width (Y direction) is set to “1.0 to 10 (μm)” (however, the diffusion layer SP is also included in the drift region DF). The range is set.
以上説明したように、この実施の形態に係る半導体装置およびその製造方法によれば、第1の実施の形態による前記(1)〜(9)の効果と同様の効果もしくはそれに準じた効果に加え、さらに次のような効果も得られるようになる。 As described above, according to the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present embodiment, in addition to the effects similar to the effects (1) to (9) according to the first embodiment or effects equivalent thereto. In addition, the following effects can be obtained.
(17)上記高濃度の拡散層SPを、基板表面付近においてドリフト領域DFまで延設するようにしたことで、前述した寄生バイポーラの好ましくない動作(詳しくは「課題を解決するための手段」の記載を参照)についても、拡散層SPの幅(より正確には、該拡散層SPがドリフト領域DFを侵食する程度)の設定を通じて、より容易にその抑止(防止)を図ることが可能になる。 (17) The above-described high-concentration diffusion layer SP is extended to the drift region DF in the vicinity of the substrate surface, so that the undesired operation of the above-mentioned parasitic bipolar (see “Means for Solving the Problems” in detail) (See description) can be more easily suppressed (prevented) by setting the width of the diffusion layer SP (more precisely, the extent to which the diffusion layer SP erodes the drift region DF). .
(第5の実施の形態)
次に、図10および図11を参照して、この発明に係る半導体装置およびその製造方法を具体化した第5の実施の形態について説明する。ただし、これら図10および図11(図1および図2に対応する平面図および断面図)に示されるように、この実施の形態に係る装置も、基本的には、先の第4の実施の形態の装置に準ずる構造を有しているため、便宜上、共通の部分に関する説明は割愛する。すなわち、ここでは主に、上記第4の実施の形態の装置との相違点について説明する。
(Fifth embodiment)
Next, with reference to FIGS. 10 and 11, a fifth embodiment of the semiconductor device and the method for manufacturing the same according to the present invention will be described. However, as shown in FIGS. 10 and 11 (a plan view and a cross-sectional view corresponding to FIGS. 1 and 2), the apparatus according to this embodiment is basically the same as the fourth embodiment. Since it has a structure similar to that of the apparatus of the embodiment, description of common parts is omitted for convenience. That is, here, the difference from the apparatus of the fourth embodiment will be mainly described.
以下、図10および図11を参照して、このトランジスタの概要について詳述する。なお、図10は、このトランジスタの概略構造を示す平面図、図11(a)は、図10中のA−A’線に沿った断面図、図11(b)は、図10中のB−B’線に沿った断面図、図11(c)は、図10中のC−C’線に沿った断面図である。また、これら各図においては、先の図1や図2に示した要素と同一の要素に各々、同一の符号を付して示している。 The outline of this transistor will be described in detail below with reference to FIGS. 10 is a plan view showing a schematic structure of the transistor, FIG. 11A is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG. 10, and FIG. 11B is a cross-sectional view along B in FIG. FIG. 11C is a cross-sectional view taken along the line CC ′ in FIG. 10. In these drawings, the same elements as those shown in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals.
同図10および図11に示されるように、この実施の形態においては、高濃度の拡散層SPを、少なくともゲート電極G(トレンチ突き出し位置)よりもドレイン領域D側へ突き出る様に、しかも基板表面付近においてドリフト領域DFまで、延設するようにしている。これにより、ゲート電極G(トレンチ電極)の角(コーナー部)への電界集中は緩和されるようになる。 As shown in FIGS. 10 and 11, in this embodiment, the high-concentration diffusion layer SP protrudes at least from the gate electrode G (trench protruding position) to the drain region D side, and the substrate surface. It extends to the drift region DF in the vicinity. Thereby, the electric field concentration at the corner (corner portion) of the gate electrode G (trench electrode) is relaxed.
図12は、このゲート電極G付近の電位分布を等電位線により模式的に示す平面図である。なお、同図12において、(a)は、第4の実施の形態に係る装置の電位分布を、また(b)は、この第5の実施の形態に係る装置の電位分布を、それぞれ示している。 FIG. 12 is a plan view schematically showing the potential distribution in the vicinity of the gate electrode G with equipotential lines. In FIG. 12, (a) shows the potential distribution of the device according to the fourth embodiment, and (b) shows the potential distribution of the device according to the fifth embodiment. Yes.
同図12(a)に示されるように、先の第4の実施の形態の装置においては、電位分布(等電位線)がトレンチT(ゲート電極G)に沿って曲線状になり、ゲート電極G(トレンチ電極)の角(コーナー部)には、急カーブが形成される。これに対し、この第5の実施の形態の装置においては、図12(b)に示されるように、ゲート電極G付近の電位分布(等電位線)が、ドレイン領域Dに平行な直線状に(詳しくは、直線が連続する様に)形成される。このため、ゲート電極Gの角(コーナー部)への電界集中は緩和され(ブレイクポイントはドリフト領域DF内に形成される)、この電界集中に起因して生じる同電極Gの信頼性の低下(詳しくは、電極材の劣化や、寿命(例えばTDDB)の低下など)が抑制されるようになる。 As shown in FIG. 12A, in the device of the fourth embodiment, the potential distribution (equipotential line) is curved along the trench T (gate electrode G). A sharp curve is formed at the corner (corner portion) of G (trench electrode). In contrast, in the apparatus of the fifth embodiment, as shown in FIG. 12B, the potential distribution (equipotential lines) in the vicinity of the gate electrode G is a straight line parallel to the drain region D. (In detail, it is formed so that straight lines are continuous). For this reason, the electric field concentration at the corner (corner portion) of the gate electrode G is alleviated (the break point is formed in the drift region DF), and the reliability of the electrode G is reduced due to the electric field concentration ( Specifically, deterioration of the electrode material and a decrease in lifetime (for example, TDDB) are suppressed.
なお、この実施の形態においては、上記拡散層SPの寸法が、次のように設定されている(濃度および濃度プロファイルは、第1の実施の形態と同様)。
・拡散層SP(導電型:p+):深さ(Z方向)が、「5(μm)」以下、もしくはベース領域BSの深さの「20(%)」以下に(この深さは、チャネル領域の減少がオン抵抗へ与える影響を考慮しつつ設定する)、また幅(Y方向)が、「1.0〜10(μm)」(ただし、当該拡散層SPがゲート電極Gよりもドレイン領域D側へ突き出てドリフト領域DF内にも位置する範囲)に設定されている。
In this embodiment, the dimensions of the diffusion layer SP are set as follows (the concentration and the concentration profile are the same as those in the first embodiment).
Diffusion layer SP (conductivity type: p + ): The depth (Z direction) is “5 (μm)” or less, or “20 (%)” or less of the depth of the base region BS (this depth is The width (Y direction) is set to “1.0 to 10 (μm)” (however, the diffusion layer SP is drained more than the gate electrode G). It is set to a range that protrudes toward the region D and is also located in the drift region DF.
以上説明したように、この実施の形態に係る半導体装置およびその製造方法によれば、第1および第4の実施の形態による前記(1)〜(9)および(17)の効果と同様の効果もしくはそれに準じた効果に加え、さらに次のような効果も得られるようになる。 As described above, according to the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to this embodiment, the same effects as the effects (1) to (9) and (17) according to the first and fourth embodiments. Or in addition to the effect according to it, the following effect can be obtained.
(18)上記高濃度の拡散層SPを、少なくともゲート電極Gよりもドレイン領域D側へ突き出る態様で、基板表面付近においてドリフト領域DFまで延設するようにしたことで、上記ゲート電極Gの信頼性の低下(詳しくは、電極材の劣化や、寿命(例えばTDDB)の低下など)が、好適に抑制されるようになる。 (18) The high-concentration diffusion layer SP is extended to at least the drift region DF in the vicinity of the substrate surface in such a manner as to protrude at least toward the drain region D from the gate electrode G. The deterioration of the property (specifically, the deterioration of the electrode material and the life (for example, TDDB)) can be suitably suppressed.
(他の実施の形態)
なお、上記各実施の形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・上記各実施の形態において示した上記拡散層SPの各形態を組み合わせて実施するようにしてもよい。すなわち、例えば図13および図14(図1および図2に対応する平面図および断面図)に示すように、この拡散層SPが基板表面付近においてソース領域Sとドリフト領域DFとの双方へ延設された構造とすることもできる。あるいは、上記第3〜第5の実施の形態において示した各形態の拡散層SPについて、これを基板の深さ方向へ延設した構造とすることもできる。
(Other embodiments)
Each of the above embodiments may be modified as follows.
-You may make it implement combining each form of the said diffusion layer SP shown in said each embodiment. That is, for example, as shown in FIGS. 13 and 14 (a plan view and a cross-sectional view corresponding to FIGS. 1 and 2), this diffusion layer SP extends to both the source region S and the drift region DF in the vicinity of the substrate surface. It is also possible to have a structured. Or about the diffusion layer SP of each form shown in the said 3rd-5th embodiment, it can also be set as the structure extended in the depth direction of the board | substrate.
・上記各実施の形態においては、ドレイン領域Dおよびソース領域Sおよびドリフト領域DFおよびベース領域BSの濃度プロファイルを、基板の深さ方向について濃度が均一になるようなプロファイル(分布)としたが、これは必須の構成ではなく、各領域について任意の濃度プロファイルを採用することができる。 In each of the above embodiments, the concentration profile of the drain region D, the source region S, the drift region DF, and the base region BS is a profile (distribution) that makes the concentration uniform in the depth direction of the substrate. This is not an essential configuration, and an arbitrary density profile can be adopted for each region.
・上記各実施の形態において採用したトレンチT1間のアイソレーション(素子分離)は、必須の構成ではなく、例えば素子設計等の都合に応じて、その形成を適宜に割愛することもできる。 The isolation (element isolation) between the trenches T1 employed in each of the above embodiments is not an essential configuration, and the formation thereof can be omitted as appropriate according to the convenience of element design, for example.
・当該半導体装置(トランジスタ)を構成する各要素の導電型を逆転させた構造、すなわちp型とn型とを入れ替えた構造とした場合も、同様にこの発明を適用することができる。ただし、上記各実施の形態に係るトランジスタのように、nチャネルのトランジスタであれば、キャリアが電子になるため、ドリフト速度が速くなり、オン抵抗も低くなる。 The present invention can be similarly applied to a structure in which the conductivity type of each element constituting the semiconductor device (transistor) is reversed, that is, a structure in which p-type and n-type are interchanged. However, in the case of an n-channel transistor like the transistors according to the above embodiments, carriers become electrons, so that the drift speed is increased and the on-resistance is also decreased.
・上記各実施の形態においては、トレンチ電極構造のゲート電極Gを、基板の深さ方向に向かってソース領域Sおよびベース領域BSを共に貫通するように形成した。しかし、同ゲート電極Gは、これら領域を貫通させることなく、上記ソース領域S内で止まるように形成してもよい。ただしこの場合は、一方向(例えば図1中のY方向)のみに電流が流れるようになる。 In each of the above embodiments, the gate electrode G having a trench electrode structure is formed so as to penetrate both the source region S and the base region BS in the depth direction of the substrate. However, the gate electrode G may be formed so as to stop in the source region S without penetrating these regions. However, in this case, current flows only in one direction (for example, the Y direction in FIG. 1).
・上記各実施の形態においては、トレンチ電極構造のゲート電極Gを、所定の間隔をおいて連続的に形成されるものとし、これを、互いに電気的に並列に接続させるようにした。しかし、これは必須の構成ではない。また、各ゲート電極Gに対するゲート電圧の印加タイミングも任意であり、例えば出力電流の進行方向に従って、これらを順次オンさせるようにしてもよい。さらに、該ゲート電極Gの数も全く任意であり、極端なことをいえば、1つあれば足りる。 In each of the above embodiments, the gate electrodes G having a trench electrode structure are formed continuously at a predetermined interval, and are connected electrically in parallel with each other. However, this is not an essential configuration. Also, the application timing of the gate voltage to each gate electrode G is arbitrary, and for example, these may be sequentially turned on according to the traveling direction of the output current. Furthermore, the number of the gate electrodes G is completely arbitrary, and in an extreme case, one gate electrode is sufficient.
・上記各実施の形態においては、MOS系デバイスの一例として3次元パワーMOSFET(電界効果トランジスタ)を例示したが、この発明は、任意のMOS系デバイスに対して同様に適用することができる。例えばドレイン領域Dをp型の半導体領域(コレクタ領域)に変更したIGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)やサイリスタ(MCT:MosControlledThyristor)等にも適用可能である。 In each of the above embodiments, a three-dimensional power MOSFET (field effect transistor) is illustrated as an example of a MOS device, but the present invention can be similarly applied to an arbitrary MOS device. For example, the present invention can be applied to an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or a thyristor (MCT) in which the drain region D is changed to a p-type semiconductor region (collector region).
・上記拡散層SPの濃度(ベース領域BSと同一の導電型)は、ベース領域BSよりも高い範囲であれば任意である。すなわち、この拡散層SPの濃度が、該拡散層SPに係る導電型不純物の固溶度を超えていても、前記(1)の効果等を得ることは可能である。 The concentration of the diffusion layer SP (the same conductivity type as that of the base region BS) is arbitrary as long as it is higher than the base region BS. That is, even if the concentration of the diffusion layer SP exceeds the solid solubility of the conductive impurities related to the diffusion layer SP, it is possible to obtain the effect (1).
・当該半導体装置の製造方法は、先の図17〜図23に例示した方法に準ずるものに限られることなく、基本的には任意である。例えば図20に例示した平坦化工程についていえば、特にストッパを用いずとも、例えば研磨時間を測定することによって、あるいは他の素子(例えば別途設けられたモニタ用の素子)の研磨の程度をみることによって、所望とされる量の研磨、ひいては的確な平坦化を行うことができる。 The method for manufacturing the semiconductor device is not limited to the method illustrated in FIGS. 17 to 23 and is basically arbitrary. For example, with respect to the planarization process illustrated in FIG. 20, the degree of polishing of other elements (for example, a monitor element provided separately) can be seen by measuring the polishing time without using a stopper. As a result, a desired amount of polishing, and thus accurate planarization can be performed.
1…半導体基板、2〜4…半導体膜、BS…ベース領域、D…ドレイン領域、D1…拡散層、DE、GE、SE…端子、DF…ドリフト領域、G…ゲート電極、GI…ゲート絶縁膜、S…ソース領域、SP…拡散層、T、T1…トレンチ。
DESCRIPTION OF
Claims (17)
MOS系デバイスを構成すべく互いに対向するかたちで設けられた各々任意の導電型からなる第1の不純物領域および第2の不純物領域と、
前記第2の不純物領域を囲繞するように前記基板の表面から延設され、該第2の不純物領域とは異なる導電型からなるベース領域と、
前記第1および第2の不純物領域と共に前記MOS系デバイスを構成すべく、前記基板の深さ方向に延設されたトレンチの内部にゲート絶縁膜を介して埋設され、印加電圧に応じて前記ベース領域の所定の部分にチャネルを形成するゲート電極と、
を備える半導体装置において、
少なくとも前記ベース領域の基板表面付近には、同一の導電型で該ベース領域よりも濃度の高い拡散層が形成されてなる
ことを特徴とする半導体装置。 In the substrate that is the base material of the semiconductor device,
A first impurity region and a second impurity region each having an arbitrary conductivity type provided to face each other to form a MOS-based device;
A base region extending from the surface of the substrate so as to surround the second impurity region, and having a conductivity type different from that of the second impurity region;
In order to form the MOS device together with the first and second impurity regions, the base is buried in a trench extending in the depth direction of the substrate via a gate insulating film, and the base according to an applied voltage. A gate electrode that forms a channel in a predetermined portion of the region;
In a semiconductor device comprising:
A semiconductor device, wherein a diffusion layer having the same conductivity type and a higher concentration than the base region is formed at least near the substrate surface of the base region.
請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the concentration of the high-concentration diffusion layer provided in the base region is set in a range that does not exceed the solid solubility of the conductive impurity related to the high-concentration diffusion layer.
請求項1または2に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the concentration of the high-concentration diffusion layer provided in the base region is set to be higher than the concentration of the second impurity region.
請求項3に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 3, wherein the high-concentration diffusion layer provided in the base region extends to the second impurity region in the vicinity of the substrate surface.
請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the high-concentration diffusion layer provided in the base region is provided in a form extending in a depth direction of the substrate.
請求項5に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 5, wherein a high-concentration diffusion layer provided in the base region extends along an interface between the second impurity region and the base region.
請求項6に記載の半導体装置。 The concentration profile of the high-concentration diffusion layer provided in the extended mode has a constant concentration region near the substrate surface, and decreases from there toward the depth direction of the substrate. 6. The semiconductor device according to 6.
請求項1〜7のいずれか一項に記載の半導体装置。 The first impurity region and the second impurity region are a drain region and a source region having the same conductivity type, and the MOS device is a MOSFET. Semiconductor device.
請求項8に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 8, wherein a drift region having the same conductivity type and having a concentration lower than that of the drain region is interposed between the base region and the drain region.
請求項9に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 9, wherein the high-concentration diffusion layer provided in the base region extends to the drift region in the vicinity of the substrate surface.
請求項10に記載の半導体装置。 11. The semiconductor device according to claim 10, wherein the high-concentration diffusion layer provided in the base region extends to the drift region in such a manner that the diffusion layer protrudes at least toward the drain region from the gate electrode.
請求項1〜11のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate electrodes are continuously formed at a predetermined interval and are electrically connected to each other in parallel.
請求項1〜12のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein predetermined wiring is formed on a surface of the substrate via an interlayer insulating film.
該形成されたトレンチに適宜の半導体膜を成膜することにより、前記第1の不純物領域とは異なる導電型からなるベース領域を形成する工程と、
前記トレンチの少なくとも内壁部分に形成された前記ベース領域に対して、前記半導体基板表面の斜め方向から、所定の導電型不純物をイオン注入する工程と、
前記トレンチを完全に埋めるべく、該トレンチに対して適宜の半導体膜をさらに埋設することにより、所定の導電型からなる第2の不純物領域を形成する工程と、
を備え、前記第1の不純物領域および前記第2の不純物領域および前記ベース領域の他にさらに、前記半導体基板の深さ方向に延設されたトレンチの内部にゲート絶縁膜を介して埋設され、前記ベース領域の所定の部分にチャネルを形成するゲート電極、を形成することによって、これら各要素をMOS系デバイスとして機能させる
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a trench at a desired location of a semiconductor substrate having a first impurity region of a predetermined conductivity type;
Forming a base region having a conductivity type different from that of the first impurity region by forming an appropriate semiconductor film in the formed trench;
A step of ion-implanting a predetermined conductivity type impurity from an oblique direction of the surface of the semiconductor substrate to the base region formed in at least an inner wall portion of the trench;
Forming a second impurity region of a predetermined conductivity type by further burying an appropriate semiconductor film in the trench to completely fill the trench;
In addition to the first impurity region, the second impurity region, and the base region, the trench is further extended in a trench extending in the depth direction of the semiconductor substrate via a gate insulating film, A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a gate electrode for forming a channel in a predetermined portion of the base region, thereby causing each of these elements to function as a MOS-based device.
請求項14に記載の半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 14, further comprising a heat treatment step after the ion implantation step to thermally diffuse the ion-implanted conductive impurities.
請求項14または15に記載の半導体装置の製造方法。 The semiconductor device according to claim 14 or 15, wherein the first impurity region and the second impurity region are a drain region and a source region having the same conductivity type, and the MOS device is a MOSFET. Method.
前記形成されたトレンチに、前記ベース領域に係る半導体膜の下層として適宜の半導体膜を成膜する工程、
をさらに備え、この工程を通じて形成された半導体膜を、前記ドレイン領域よりも濃度の低い同一の導電型からなって前記ベース領域と前記ドレイン領域との間に介在するドリフト領域とする
請求項16に記載の半導体装置の製造方法。 As a step prior to the step of forming the base region,
Forming an appropriate semiconductor film as a lower layer of the semiconductor film in the base region in the formed trench;
The semiconductor film formed through this step is a drift region made of the same conductivity type having a lower concentration than the drain region and interposed between the base region and the drain region. The manufacturing method of the semiconductor device of description.
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