JP2007200981A - 横型パワーmosfetおよびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】トレンチ側壁をチャネルとする横型パワーMOSFETで、素子耐圧が低下しない製造方法を提供すること。
【解決手段】nウェル領域2の表面層に形成したpベース領域3および第1nオフセット領域4と、シリコン基板1表面に形成した選択酸化膜5と、選択酸化膜5の側面、pベース領域3の側面および第1nオフセット領域4の側面と接し、かつ、pベース領域3および第1nオフセット領域4よりも深く形成したトレンチ7と、トレンチ7底面に形成した第2nオフセット領域8と、トレンチ7の側壁に形成したゲート酸化膜9と、ゲート酸化膜9を介して形成したゲート電極10と、トレンチ7を埋め込み選択酸化膜5上に延びるフィールドプレート11と、表面層に形成したnソース領域12およびnドレイン領域13とを有する。トレンチ7肩部に選択酸化膜11を形成し、その上にフィールドプレート11を延在させる。
【選択図】 図1

Description

この発明は、半導体基板上にトレンチを形成し、そのトレンチをゲート電極で埋設し、トレンチ側壁をチャネルとする横型パワーMOSFETおよびその製造方法に関する。
図10は、従来の横型パワーMOSFETの要部断面図である。以下に、トレンチ構造のハイサイドnチャネル型の横型パワーMOSFETについて述べる。
この横型パワーMOSFETは、シリコン基板51の表面層に形成したnウェル領域52と、nウェル領域52の表面層に形成したpベース領域53および第1nオフセット領域54と、pベース領域53の側面および第1nオフセット領域54の側面と接し、かつ、pベース領域53および第1nオフセット領域54よりも深く形成したトレンチ57とを有する。また、このトレンチ57底面に形成した第2nオフセット領域58と、トレンチ57の側壁に形成したゲート酸化膜59と、ゲート酸化膜59を介して形成したゲート電極60と、pベース領域53および第1nオフセット領域54の表面層に形成したnソース領域62およびnドレイン領域63とを有する。さらに、表面に形成した層間絶縁膜64と、この層間絶縁膜64に形成した開口部65と、この開口部64を埋め込んでnソース領域62上とnドレイン領域63上にそれぞれ形成したソース電極配線66およびドレイン電極配線67とを有する。
図11から図14は、図10の横型パワーMOSFETの製造方法を示す図であり、工程順に示した要部製造工程断面図である。
図11に示すように、シリコン基板51にnウェル領域52を形成した後、pベース領域53、第1nオフセット領域54を形成する。
次に、図12に示すように、酸化膜をマスクとして、pベース領域53および第1nオフセット領域54を跨ぎ、かつ、pベース領域53および第1nオフセット領域54よりも深くトレンチ54を形成し、マスク酸化膜56をそのままマスクとしてトレンチ57底面だけに選択的に第2nオフセット領域58を形成する。
次に、図13に示すように、マスク酸化膜56を除去した後に、ゲート酸化膜59を形成する。その後、CVD(Chemical Vapor Deposition)によりトレンチ7内部をドープトポリシリコンで埋設し、エッチバックすることでゲート電極60を形成する。
そして、図14に示すように、nソース領域62およびnドレイン領域63を形成した後、層間絶縁膜64を形成する。そして、フォトリソグラフィ工程により図10に示す開口部65を形成し、ソース電極配線66およびドレイン電極配線67を形成する。
また、特許文献1、トレンチ構造の横型MOSFETで、ドレイン領域側のトレンチ側壁にゲート酸化膜より厚い絶縁膜を形成してトレンチ肩部の電界集中を防止できることが記載されている。
また、特許文献2では、トレンチ側壁からソース電極までの距離をトレンチ形成前のソース領域端からソース電極までの距離より短くすることで、素子長を短くできてトレンチ構造の横型MOSFETのオン抵抗を低減できることが記載されている。
また、特許文献3では、ゲート電極配線層を形成するトレンチをフィールド絶縁膜に接するように形成することでトレンチ構造の横型MOSFETのゲート耐圧を向上させることができることが記載されている。
米国特許題434435号公報 特開2001−15742号公報 特開2001−102572号公報
しかし、図10に示す横型パワーMOSFETでは、ドレイン側のトレンチ肩部(×印のA付近)に電界が集中し、素子耐圧が低下してしまう。また、特許文献1に示した横型MOSFETでは、厚い絶縁膜を形成するため、ゲート電極を形成後にトレンチを再度形成する必要があり工程が増加する。
この発明の目的は、前記の課題を解決して、トレンチをゲート電極で埋設しトレンチ側壁をチャネルとする横型パワーMOSFETにおいても、素子耐圧が低下せず簡易に形成できる横型パワーMOSFETとその製造方法を提供するものである。
前記の目的を達成するために、半導体基板表面に形成した第1領域と、該第1領域の表面から内部に向って形成した溝と、該溝の一方の側壁と接し前記第1領域の表面層に形成した第2導電型の第2領域と、前記溝の他方の側壁と接し前記第1領域の表面層に形成した第1導電型の第3領域と、前記溝の底部と接し、前記第1領域に形成した第1導電型の第4領域と、前記溝の側壁と接し前記第2領域の表面層に形成した第1導電型の第5領域と、前記第3領域の表面層に形成した第1導電型の第6領域と、前記溝を埋設し、ゲート絶縁膜を介して形成したゲート電極と、前記溝と接し前記第3領域の表面に形成した前記ゲート絶縁膜より厚い絶縁膜と、前記ゲート電極と接し前記厚い絶縁膜上に形成した導電膜と、前記第5領域上に形成した第1主電極と、前記第6領域上に形成した第2主電極とを有する構成とする。
また、前記溝の深さが、前記第2領域および前記第3領域より深いとよい。
また、前記溝の深さが、前記第2領域および前記第3領域より浅く、それぞれが前記第4領域の底部と接するとよい。
また、前記溝の深さが、前記第2領域および前記第3領域より浅く、それぞれが前記第4領域と接することを特徴とする請求項1に記載の横型パワーMOSFET。
また、半導体基板表面に形成した第1領域と、該第1領域の表面から内部に向って形成した溝と、該溝の一方の側壁と接し前記第1領域の表面層に前記溝の深さより浅く形成した第2導電型の第2領域と、前記溝の他方の側壁と接し前記第1領域の表面層に形成した第1導電型の第3領域と、前記溝の側壁と接し前記第2領域の表面層に形成した第1導電型の第5領域と、前記第3領域の表面層に形成した第1導電型の第6領域と、前記溝を埋設し、ゲート絶縁膜を介して形成したゲート電極と、前記溝と接し前記第3領域の表面に形成した前記ゲート絶縁膜より厚い絶縁膜と、前記ゲート電極と接し前記厚い絶縁膜上に形成した導電膜と、前記第5領域上に形成した第1主電極と、前記第6領域上に形成した第2主電極とを有する構成とする。
また、前記厚い絶縁膜が選択酸化膜であるとよい。
また、前記導電膜がフィールドプレートであるとよい。
また、前記ゲート電極と前記フィールドプレートがポリシリコンであるとよい。
また、前記第1主電極および前記第2主電極が層間絶縁膜に形成した開口部を介し第5領域および第6領域にそれぞれ接続するとよい。
また、半導体基板表面に第1領域を形成する工程と、該第1領域の表面層に第2導電型の第2領域を形成する工程と、該第2領域と接し前記第1領域の表面層に第1導電型の第3領域を形成すると、該第3領域表面に厚い絶縁膜を形成する工程と、前記第2、第3領域および前記厚い絶縁膜とを跨ぎ、前記第2領域よりも深く溝を形成する工程と、該溝の底部と接し前記第1領域に第1導電型の第4領域を形成する工程と、該溝を埋設しゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成し、該ゲート電極に接続し前記厚い絶縁膜上に延在してフィールドプレートを同時に形成する工程と、前記溝の側壁と接し前記第2領域および前記第3領域の表面層に第5領域および第6領域をそれぞれ形成する工程と、前記半導体基板表面および前記ゲート電極上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜に第5、第6領域とそれぞれ接続する開口部を形成する工程と、該開口部内に導体を埋め込む工程と、該導体と接続する第1主電極および第2主電極をそれぞれ形成する工程とを含む製造方法とする。
また、半導体基板表面に第1領域を形成する工程と、該第1領域の表面層に第2導電型の第2領域を形成する工程と、該第2領域と接し、前記第1領域の表面層に第1導電型の第3領域を形成すると、該第3領域表面に厚い絶縁膜を形成する工程と、前記第2、第3領域および前記厚い絶縁膜とを跨ぎ溝を形成する工程と、該溝の底部と接し前記第1領域に第1導電型の第4領域を形成する工程と、該溝を埋設し、該ゲート電極に接続し前記厚い絶縁膜上に延在してフィールドプレートを同時に形成する工程と、前記溝の側壁と接し前記第2および第3領域の表面層に第1導電型の第5および第6領域をそれぞれ形成する工程と、前記半導体基板表面および前記ゲート電極上に層間絶縁膜を形成する工程と、該層間絶縁膜に前記第5領域および第6領域とそれぞれ接続する開口部を形成する工程と、該開口部内に導体を埋め込む工程と、該導体と接続する第1主電極および第2主電極を形成する工程とを含む製造方法とする。
また、半導体基板表面に第1領域を形成する工程と、該第1領域の表面層に第2導電型の第2領域を形成する工程と、該第2領域と接し前記第1領域の表面層に第1導電型の第3領域を形成すると、該第3領域表面に厚い絶縁膜を形成する工程と、前記第2、第3領域および前記厚い絶縁膜とを跨ぎ、前記第2領域よりも深く溝を形成する工程と、該溝を埋設しゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成し、該ゲート電極に接続し前記厚い絶縁膜上に延在してフィールドプレートを同時に形成する工程と、前記溝の側壁と接し前記第2領域および前記第3領域の表面層に第5領域および第6領域をそれぞれ形成する工程と、前記半導体基板表面および前記ゲート電極上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜に第5、第6領域とそれぞれ接続する開口部を形成する工程と、該開口部内に導体を埋め込む工程と、該導体と接続する第1主電極および第2主電極をそれぞれ形成する工程とを含む製造方法とする。
この発明により、ドレイン側のトレンチ肩部に選択酸化膜を形成し、この選択酸化膜上にフィールドプレートを形成することで、トレンチ肩部の電界集中が防止され、素子耐圧の低下を防ぐことができる。
以下、この発明の実施の形態を説明する。以下の説明でのnウェル領域をpウェル領域に変えても構わない。この場合、ローサイドのトレンチ構造をしたnチャネル型横型パワーMOSFETとなる。また、以下の説明においてn領域とp領域を逆にしても構わない。
図1は、この発明の第1実施例である横型パワーMOSFETの構成図であり、同図(a)は要部平面図、同図(b)は同図(a)のX−X線で切断した要部断面図である。同図(a)の平面図は同図(b)の層間絶縁膜は煩雑になるので省略されている。この横型パワーMOSFETは、トレンチゲート構造を有する横型パワーMOSFETである。また、ここでは半導体基板としてシリコン基板を用いた。
この横型パワーMOSFETは、シリコン基板1の表面層に形成したnウェル領域2と、nウェル領域2の表面層に形成したpベース領域3および第1nオフセット領域4と、シリコン基板1の表面上に形成したゲート酸化膜9より厚い選択酸化膜5と、選択酸化膜5の側面、pベース領域3の側面および第1nオフセット領域4の側面と接し、かつ、pベース領域3および第1nオフセット領域4よりも深く形成したトレンチ7とを有する。また、このトレンチ7底面に形成した第2nオフセット領域8と、トレンチ7の側壁に形成したゲート酸化膜9と、ゲート酸化膜9を介して形成したゲート電極10と、トレンチ7を埋め込み選択酸化膜5上に延びるように形成したフィールドプレート11と、pベース領域3および第1nオフセット領域4の表面層に形成したnソース領域12およびnドレイン領域13とを有する。さらに、表面に形成した層間絶縁膜14と、この層間絶縁膜14に形成した開口部15と、この開口部14を埋め込んでnソース領域上とnドレイン領域上にそれぞれ形成したソース電極配線およびドレイン電極配線とを有する。尚、トレンチ7は第2nオフセット領域8に接しているので、図2に示すように、トレンチ7はpベース領域3および第1nオフセット領域4より浅くても構わない。
前記のように、トレンチ7肩部にゲート酸化膜9より膜厚が選択酸化膜11を形成し、その上にフィールドプレート11を延在させることで、素子耐圧の低下を防ぐことができる。
尚、nウェル領域2の不純物を第2nオフセット領域8の不純物濃度まで高められれば、図3に示すように、図1の第2nオフセット領域8を形成しなくても構わない。この場合は、トレンチ7の深さをpベース領域3の深さより深くする。また、第2nオフセット領域8を形成しないので低コスト化できる。
図4から図9は、この発明の第2実施例である横型パワーMOSFETの製造方法を示す図であり、工程順に示した要部製造工程断面図である。この横型パワーMOSFETは図1の横型パワーMOSFETである。
図4に示すように、シリコン基板1の表面層にnウェル領域2を形成した後、nウェル領域2pの表面層にベース領域3および第1nオフセット領域4を形成する。
次に、図5に示すように、第1nオフセット領域4の表面に後で形成するトレンチ7形成個所に一部が重なるように選択酸化膜5を例えば600nmの厚みで形成する。
選択酸化膜5は、同一の半導体基板に集積される素子の絶縁分離用に形成する選択酸化膜と同時に形成できるので図11〜図14に示した従来の工程から増加することなく形成できる。
その後、図6に示すように、トレンチマスクとなる酸化膜をウェハ全面に形成し、フォトリソグラフィ工程によりマスク酸化膜6を形成する。続いて、このマスク酸化膜6をマスクにpベース領域2および第1nオフセット領域3を跨ぎ、かつ、pベース領域2および第1nオフセット領域3よりも深くトレンチ7を形成する。
このとき、トレンチ7は選択酸化膜5の端部をも跨ぐように形成する。その後、マスク酸化膜6をそのままマスクとしてトレンチ7底面だけに選択的に第2nオフセット領域8を形成する。
次に、図7に示すように、マスク酸化膜6を除去した後に、ゲート酸化膜7を例えば17nmの厚みで形成する。尚、トレンチ7の深さはpベース領域3および第1nオフセット領域4の深さより浅くても構わない。また、前記の第2nオフセット領域8は素子耐圧が低い場合には形成しなくてもよい。
その後、CVD(Chemical Vapor Deposition)によりトレンチ内部をドープトポリシリコンで埋設し、エッチングすることでゲート電極10とこのゲート電極10に接続し選択酸化膜5上に延在するフィールドプレート11とを同時に形成する。尚、フィールドプレート11は、ここではゲート電極10と同時にポリシリコンで形成されているが、例えば、アルミニウムなどの金属膜で形成しても構わない。
そして、図8に示すように、nソース領域12およびnドレイン領域13をpベース領域3および第1nオフセット領域4の表面層にそれぞれ形成した後、層間絶縁膜14を形成する。
そして、図9に示すように、フォトリソグラフィ工程により層間絶縁膜14に開口部15を形成し、この開口部15を埋め込んで、nソース領域12上およびnドレイン領域13上にソース電極配線16およびドレイン電極配線17をそれぞれ形成する。
以上の実施例では、厚い絶縁膜として選択酸化膜5の場合について説明したが、堆積膜であってもよい。
この発明の第1実施例である横型パワーMOSFETの構成図であり、(a)は要部平面図、(b)は(a)のX−X線で切断した要部断面図 この発明の別の実施例である横型パワーMOSFETの要部断面図 この発明の別の実施例である横型パワーMOSFETの要部断面図 この発明の第2実施例である横型パワーMOSFETの製造方法を示す要部製造工程断面図 図4に続く、この発明の第2実施例である横型パワーMOSFETの製造方法を示す要部製造工程断面図 図5に続く、この発明の第2実施例である横型パワーMOSFETの製造方法を示す要部製造工程断面図 図6に続く、この発明の第2実施例である横型パワーMOSFETの製造方法を示す要部製造工程断面図 図7に続く、この発明の第2実施例である横型パワーMOSFETの製造方法を示す要部製造工程断面図 図8に続く、この発明の第2実施例である横型パワーMOSFETの製造方法を示す要部製造工程断面図 従来の横型パワーMOSFETの要部断面図 図10の横型パワーMOSFETの製造方法を示す要部製造工程断面図 図11に続く、図10の横型パワーMOSFETの製造方法を示す要部製造工程断面図 図12に続く、図10の横型パワーMOSFETの製造方法を示す要部製造工程断面図 図13に続く、図10の横型パワーMOSFETの製造方法を示す要部製造工程断面図
符号の説明
1 シリコン基板
2 nウェル領域
3 pベース領域
4 第1nオフセット領域
5 選択酸化膜
6 マスク酸化膜
7 トレンチ
8 第2nオフセット領域
9 ゲート酸化膜
10 ゲート電極
11 フィールドプレート
12 nソース領域
13 nドレイン領域
14 層間絶縁膜
15 開口部
16 ソース電極配線
17 ドレイン電極配線

Claims (11)

  1. 半導体基板表面に形成した第1領域と、該第1領域の表面から内部に向って形成した溝と、該溝の一方の側壁と接し前記第1領域の表面層に形成した第2導電型の第2領域と、前記溝の他方の側壁と接し前記第1領域の表面層に形成した第1導電型の第3領域と、前記溝の底部と接し、前記第1領域に形成した第1導電型の第4領域と、前記溝の側壁と接し前記第2領域の表面層に形成した第1導電型の第5領域と、前記第3領域の表面層に形成した第1導電型の第6領域と、前記溝を埋設し、ゲート絶縁膜を介して形成したゲート電極と、前記溝と接し前記第3領域の表面に形成した前記ゲート絶縁膜より厚い絶縁膜と、前記ゲート電極と接し前記厚い絶縁膜上に形成した導電膜と、前記第5領域上に形成した第1主電極と、前記第6領域上に形成した第2主電極とを有することを特徴とする横型パワーMOSFET。
  2. 前記溝の深さが、前記第2領域および前記第3領域より深いことを特徴とする請求項1に記載の横型パワーMOSFET。
  3. 前記溝の深さが、前記第2領域および前記第3領域より浅く、それぞれが前記第4領域と接することを特徴とする請求項1に記載の横型パワーMOSFET。
  4. 半導体基板表面に形成した第1領域と、該第1領域の表面から内部に向って形成した溝と、該溝の一方の側壁と接し前記第1領域の表面層に前記溝の深さより浅く形成した第2導電型の第2領域と、前記溝の他方の側壁と接し前記第1領域の表面層に形成した第1導電型の第3領域と、前記溝の側壁と接し前記第2領域の表面層に形成した第1導電型の第5領域と、前記第3領域の表面層に形成した第1導電型の第6領域と、前記溝を埋設し、ゲート絶縁膜を介して形成したゲート電極と、前記溝と接し前記第3領域の表面に形成した前記ゲート絶縁膜より厚い絶縁膜と、前記ゲート電極と接し前記厚い絶縁膜上に形成した導電膜と、前記第5領域上に形成した第1主電極と、前記第6領域上に形成した第2主電極とを有することを特徴とする横型パワーMOSFET。
  5. 前記厚い絶縁膜が選択酸化膜であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の横型パワーMOSFET。
  6. 前記導電膜がフィールドプレートであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の横型パワーMOSFET。
  7. 前記ゲート電極と前記フィールドプレートがポリシリコンであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の横型パワーMOSFET。
  8. 前記第1主電極および前記第2主電極が層間絶縁膜に形成した開口部を介して第5領域および第6領域にそれぞれ接続することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の横型パワーMOSFET。
  9. 半導体基板表面に第1領域を形成する工程と、該第1領域の表面層に第2導電型の第2領域を形成する工程と、該第2領域と接し前記第1領域の表面層に第1導電型の第3領域を形成すると、該第3領域表面に厚い絶縁膜を形成する工程と、前記第2、第3領域および前記厚い絶縁膜とを跨ぎ、前記第2領域よりも深く溝を形成する工程と、該溝の底部と接し前記第1領域に第1導電型の第4領域を形成する工程と、該溝を埋設しゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成し、該ゲート電極に接続し前記厚い絶縁膜上に延在してフィールドプレートを同時に形成する工程と、前記溝の側壁と接し前記第2領域および前記第3領域の表面層に第5領域および第6領域をそれぞれ形成する工程と、前記半導体基板表面および前記ゲート電極上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜に第5、第6領域とそれぞれ接続する開口部を形成する工程と、該開口部内に導体を埋め込む工程と、該導体と接続する第1主電極および第2主電極をそれぞれ形成する工程とを含むことを特徴とする横型パワーMOSFETの製造方法。
  10. 半導体基板表面に第1領域を形成する工程と、該第1領域の表面層に第2導電型の第2領域を形成する工程と、該第2領域と接し、前記第1領域の表面層に第1導電型の第3領域を形成すると、該第3領域表面に厚い絶縁膜を形成する工程と、前記第2、第3領域および前記厚い絶縁膜とを跨ぎ溝を形成する工程と、該溝の底部と接し前記第1領域に第1導電型の第4領域を形成する工程と、該溝を埋設し、該ゲート電極に接続し前記厚い絶縁膜上に延在してフィールドプレートを同時に形成する工程と、前記溝の側壁と接し前記第2および第3領域の表面層に第1導電型の第5および第6領域をそれぞれ形成する工程と、前記半導体基板表面および前記ゲート電極上に層間絶縁膜を形成する工程と、該層間絶縁膜に前記第5領域および第6領域とそれぞれ接続する開口部を形成する工程と、該開口部内に導体を埋め込む工程と、該導体と接続する第1主電極および第2主電極を形成する工程とを含むことを特徴とする横型パワーMOSFETの製造方法。
  11. 半導体基板表面に第1領域を形成する工程と、該第1領域の表面層に第2導電型の第2領域を形成する工程と、該第2領域と接し前記第1領域の表面層に第1導電型の第3領域を形成すると、該第3領域表面に厚い絶縁膜を形成する工程と、前記第2、第3領域および前記厚い絶縁膜とを跨ぎ、前記第2領域よりも深く溝を形成する工程と、該溝を埋設しゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成し、該ゲート電極に接続し前記厚い絶縁膜上に延在してフィールドプレートを同時に形成する工程と、前記溝の側壁と接し前記第2領域および前記第3領域の表面層に第5領域および第6領域をそれぞれ形成する工程と、前記半導体基板表面および前記ゲート電極上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜に第5、第6領域とそれぞれ接続する開口部を形成する工程と、該開口部内に導体を埋め込む工程と、該導体と接続する第1主電極および第2主電極をそれぞれ形成する工程とを含むことを特徴とする横型パワーMOSFETの製造方法。
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