JP2008034660A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、トレンチ型半導体素子を有する半導体装置およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device having a trench type semiconductor element and a method for manufacturing the same.
絶縁ゲート型FETとして、例えば、シリコン酸化膜を絶縁膜として用いたMOS電界効果型トランジスタ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor、以下MOSトランジスタ)が知られている。MOSトランジスタを半導体基板上に形成する際の構造を、縦型と横型との2種類に大きく分けることができる。また、縦型構造を、さらにプレーナ構造とトレンチ構造とに分けることができる。中でも、縦型のトレンチ構造を有するMOSトランジスタは、高耐圧、大電流、低ON抵抗という特徴を有している。したがって、トレンチ構造を有するMOSトランジスタは、大電流を流すことができる電源装置への応用に有用である。 As an insulated gate FET, for example, a MOS field effect transistor (hereinafter referred to as MOS transistor) using a silicon oxide film as an insulating film is known. The structure for forming a MOS transistor on a semiconductor substrate can be roughly divided into two types, a vertical type and a horizontal type. Further, the vertical structure can be further divided into a planar structure and a trench structure. In particular, a MOS transistor having a vertical trench structure has characteristics of high breakdown voltage, large current, and low ON resistance. Therefore, the MOS transistor having a trench structure is useful for application to a power supply device capable of flowing a large current.
(第1の従来例)
図23(a)〜(h)は、特許文献1に記載された第1の従来例であるMOSトランジスタ20の断面構造を示す断面図である。
(First conventional example)
23A to 23H are cross-sectional views showing a cross-sectional structure of a
図23(a)に示すように、MOSトランジスタ20は、単結晶シリコン基板(N+型)21を備え、単結晶シリコン基板(N+型)21上に、エピタキシャル層(N−型)22を設けている。エピタキシャル層(N−型)22中にトレンチ28が形成され、その内壁面を、ゲート絶縁膜層29が被覆している。トレンチ28内に、N型不純物を含んだ多結晶シリコンを埋め込み、ゲート層30を形成している。エピタキシャル層(N−型)22上であって、トレンチ28の両側に、ウェル拡散層(P−型)23が設けられている。
As shown in FIG. 23A, the
図23(a)〜(h)において、「N+」を表示した層は、N型の不純物濃度が高い層であり、「N−」を表示した層は、N型の不純物濃度が低い層を示す。同様に、「P+」を表示した層は、P型の不純物濃度が高い層であり、「P−」を表示した層は、P型不純物濃度が低い層を示す。 23A to 23H, the layer displaying “N +” is a layer having a high N-type impurity concentration, and the layer displaying “N−” is a layer having a low N-type impurity concentration. Show. Similarly, a layer displaying “P +” is a layer having a high P-type impurity concentration, and a layer displaying “P−” is a layer having a low P-type impurity concentration.
ウェル拡散層(P−型)23内におけるトレンチ28の上部両側には、ソース拡散層(N+型)24が設けられている。ゲート層30の上面をシリコン酸化膜25(絶縁膜)が被覆している。ソース拡散層(N+型)24にはソース電極26が接続されている。また、単結晶シリコン基板(N+型)21の裏面には、ドレイン電極27が接続されている。
A source diffusion layer (N + type) 24 is provided on both upper sides of the
このMOSトランジスタ20によれば、多結晶シリコンであるゲート層30に正電位を印加することによって、トレンチ28の側面にチャネルが形成される。この結果、図23(a)に矢印で示すように、ソース電極26からドレイン電極27に向かう経路で電子が移動し、ソース電極26とドレイン電極27との間に電流が流れる。
According to the
次に、図23(a)に示すMOSトランジスタ20の製造方法について、図23(b)〜(h)を参照して説明する。
Next, a method for manufacturing the
図23(b)に示すように、単結晶シリコン基板(N+型)21上全面に、エピタキシャル成長法により、単結晶シリコンのエピタキシャル層(N−型)22を形成し、続いて、写真製版技術、不純物イオン注入技術、不純物拡散技術等の公知の技術を用いて、ウェル拡散層(P−型)23、ソース拡散層(N+型)24を形成する。以下、これらを半導体層34と称する。この半導体層34の表面にシリコン酸化膜33を形成する。
As shown in FIG. 23B, a single crystal silicon epitaxial layer (N− type) 22 is formed on the entire surface of the single crystal silicon substrate (N + type) 21 by an epitaxial growth method, followed by photolithography, The well diffusion layer (P− type) 23 and the source diffusion layer (N + type) 24 are formed using a known technique such as an impurity ion implantation technique or an impurity diffusion technique. Hereinafter, these are referred to as a
次に、図23(c)に示すように、トレンチ28の形成のためのマスクになるように、シリコン酸化膜33を所定の形状に加工する。続いて、シリコン酸化膜33をマスクとして、シリコンエッチング技術を用いて、半導体層34中に、ソース拡散層(N+型)24とウェル拡散層(P−型)23とを貫通し、単結晶シリコンのエピタキシャル層(N−型)22中にまで至るトレンチ28を形成する。
Next, as shown in FIG. 23C, the
次に、図23(d)に示すように、トレンチ28の内壁面にゲート絶縁膜層29を形成する。そして、図23(e)に示すように、多結晶シリコン膜(N型)30’を、CVD技術を用いて、トレンチ28内に埋め込まれるように堆積する。
Next, as shown in FIG. 23D, a gate insulating
次に、図23(f)に示すように、多結晶シリコン膜(N型)30’を、その上面が半導体層34の上面(すなわち、シリコン酸化膜33の下面)とソース拡散層(N+型)24の下面との間に位置するまでエッチバックを行う。多結晶シリコン膜(N型)30’の上面は、半導体層34上面から0.25〜0.5μm下に位置する。このようにして、多結晶シリコン膜(N型)30’がゲート層30に加工される。
Next, as shown in FIG. 23F, the polycrystalline silicon film (N-type) 30 ′ has an upper surface that is the upper surface of the semiconductor layer 34 (that is, the lower surface of the silicon oxide film 33) and a source diffusion layer (N + type). ) Etch back until it is positioned between the lower surface of 24. The upper surface of the polycrystalline silicon film (N-type) 30 ′ is located 0.25 to 0.5 μm below the upper surface of the
次に、図23(g)に示すように、ゲート層30の表面を酸化し、ゲート層30上にシリコン酸化膜25を形成する。シリコン酸化膜25は半導体層34の表面に設けられたシリコン酸化膜33よりも厚く形成され、シリコン酸化膜25の上面とシリコン酸化膜33の上面とは、ほぼフラットになっている。このとき、ゲート層30の上面は、半導体層34の表面よりも下で、かつ、ソース拡散層(N+型)24の下面より上に位置させる必要がある。
Next, as shown in FIG. 23G, the surface of the
次に、図23(h)に示すように、半導体層34上に形成されたシリコン酸化膜33を除去し、ウェル拡散層(P−型)23、およびソース拡散層(N+型)24に接触するように、半導体層34上に、ソース電極26を形成する。一方、単結晶シリコン基板(N+型)21の裏面に、ドレイン電極27を形成する。
Next, as shown in FIG. 23 (h), the
このように、第1の従来例であるMOSトランジスタ20を製造する。
Thus, the
(第2の従来例)
図24(a)〜(e)は、特許文献1に記載された第2の従来例であるMOSトランジスタ35の断面構造を示す断面図である。
(Second conventional example)
24A to 24E are cross-sectional views showing a cross-sectional structure of a
図24(a)に示すMOSトランジスタ35は、多結晶シリコン(N型)からなるゲート層30が半導体層34の表面よりも上方に突出し、さらに、トレンチ28の開口部よりも外側の横方向(トレンチ28の幅方向)に張り出している点において、図23(a)に示すMOSトランジスタ20と異なる。また、図24(a)に示すMOSトランジスタ35は、隣り合うトレンチ28の間においてソース電極26に接続されるように形成されている。
In the
図24(a)に示すMOSトランジスタ35の製造方法について、図24(b)〜(e)を参照して説明する。
A method for manufacturing the
図24(b)に示すように、MOSトランジスタ35には、第1の従来例の図23(b)〜(e)と同様の工程において、トレンチ28、ゲート絶縁膜層29、ゲート層30が形成されている。また、図24(a)〜(e)において、「N+」を表示した層は、N型の不純物濃度が高い層であり、「N−」を表示した層は、N型の不純物濃度が低い層を示す。さらに、「P−」を表示した層は、P型不純物濃度が低い層を示す。以下、図23(a)〜(h)に示す第1の従来例と異なる部分について説明する。
As shown in FIG. 24B, the
まず、図24(b)に示すように、写真製版技術等の公知の技術を用いて、多結晶シリコン膜(N型)をパターニングし、トレンチ28の開口部よりも外側の横方向に張り出した断面U字型あるいは断面T字型のゲート層30を形成する。
First, as shown in FIG. 24B, using a known technique such as a photoengraving technique, the polycrystalline silicon film (N-type) is patterned and protrudes laterally outside the opening of the
次に、図24(c)に示すように、層間絶縁膜層41を形成する。そして、図24(d)に示すように、写真製版技術等の公知の技術を用いて、層間絶縁膜層41をパターニングし、コンタクトパターンを形成する。
Next, as shown in FIG. 24C, an interlayer insulating
最後に、図24(e)に示すように、隣り合うトレンチ28の間において、ウェル拡散層(P−型)23、およびソース拡散層(N+型)24に接するように、半導体層34上にソース電極26を形成する。一方、半導体層34の裏面にドレイン電極27を形成する。
Finally, as shown in FIG. 24E, between the
このように、第2の従来例であるMOSトランジスタ35を製造する。
Thus, the
(第3の従来例)
図25は、特許文献3に記載された第3の従来例であるMOSトランジスタ37の断面構造を示す断面図である。
(Third conventional example)
FIG. 25 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure of a
図25に示すように、絶縁ゲート型半導体装置36は、電力用絶縁型半導体素子として、MOSトランジスタ37を備えているとともに、MOSトランジスタ37を保護するための横型絶縁ゲート型半導体素子として、横型MOSFET38を備え、さらに、MOSトランジスタ37を保護するための回路素子として、多結晶シリコンダイオード39を備えており、これらの素子が、同一チップ上に形成されている。
As shown in FIG. 25, the insulated
絶縁ゲート型半導体装置36のMOSトランジスタ37は、シリコン基板(N型)21を備えている。シリコン基板(N型)21上には、半導体層34としてn型エピタキシャル層22、p型ウエル拡散層40が形成されている。そしてこれら半導体層34には、格子形状の溝としてのトレンチ28が形成されている。
The
トレンチ28内には、ゲート絶縁膜層29を介して多結晶シリコン(N型)が埋め込まれ、MOSトランジスタ37の第1の電極となるゲート層30a、30bを構成している。なお、ゲート層30a、30bは分離して描かれているが、トレンチ28が格子形状なので、互いに接続されている。
Polycrystalline silicon (N-type) is buried in the
ゲート層30a上には、酸化膜25を介して、ゲート電極32が形成されている。ゲート電極32は、酸化膜25に形成されたコンタクト領域を通して、ゲート層30aに接続されている。また、ゲート層30b上には、酸化膜25を介して、MOSトランジスタ37の第3の電極となるソース電極26が形成されている。そして、隣り合うトレンチ28の間には、p型ウェル拡散層40、高濃度ウェル拡散層(P型)23、ソース拡散層(N型)24が形成され、ソース電極26は、高濃度ウェル拡散層(P型)23およびソース拡散層(N型)24に接続されている。なお、MOSトランジスタ37の第2の電極であるドレイン電極(図示せず)は、シリコン基板(N型)21の裏面に形成されている。
A
図25に示す絶縁ゲート型半導体装置36の備えるMOSトランジスタ37の製造方法について以下に説明する。MOSトランジスタ37には、第1の従来例の図23(a)〜(h)と同様に、トレンチ28、ゲート絶縁膜層29が形成されている。
A method for manufacturing the
ここで、トレンチ28内に多結晶シリコン(N型)が埋め込まれ、かつ、半導体層34面がほぼ平坦となるように、多結晶シリコン膜(N型)を堆積する。次に、多結晶シリコン膜(N型)のエッチングする領域を、フォトレジストを用いてパターンニングする。
Here, a polycrystalline silicon film (N-type) is deposited so that polycrystalline silicon (N-type) is buried in the
そして、パターニングしたフォトレジストをマスクにして、エッチバックを行うことによって、ゲート電極32のコンタクト領域として使用する多結晶シリコン膜(N型)をパターニングする。このゲート電極32に接続されたゲート層30aは、ゲート層30bと異なり、トレンチ28の開口部より外側の半導体層34表面に沿って横方向(横型MOSFET38側)に突出している。
Then, the polycrystalline silicon film (N type) used as the contact region of the
次に、写真製版技術、不純物イオン注入技術、不純物拡散技術等の公知の技術を用いて、ウェル拡散層(P型)23、ソース拡散層(N型)24を形成する。次に、半導体層34上に酸化膜25を堆積する。そして堆積した酸化膜25を選択的にエッチングし、ゲート電極32およびソース電極26のコンタクト領域の形成を行うとともに、形成したそれぞれのコンタクト領域にゲート電極32およびソース電極26を形成する。
Next, a well diffusion layer (P-type) 23 and a source diffusion layer (N-type) 24 are formed using a known technique such as a photoengraving technique, an impurity ion implantation technique, and an impurity diffusion technique. Next, an
このように、第3の従来例であるトレンチ型MOSFETを製造する。
トレンチ構造を有するMOSトランジスタのサイズは、単位素子サイズ(セルピッチ)によって決定する。このため、MOSトランジスタを小型化するためには、セルピッチを縮小する必要がある。一方で、セルピッチは、トレンチの大きさ(特に幅)とコンタクト領域の大きさ(例えば隣り合うトレンチ間の間隔)によって制限される。 The size of the MOS transistor having a trench structure is determined by the unit element size (cell pitch). For this reason, in order to reduce the size of the MOS transistor, it is necessary to reduce the cell pitch. On the other hand, the cell pitch is limited by the size (especially width) of the trench and the size of the contact region (for example, the interval between adjacent trenches).
上述した従来例のMOSトランジスタは、その小型化を図る場合に、以下の問題点を有している。 The conventional MOS transistor described above has the following problems when it is to be miniaturized.
図23(a)に示す第1の従来例のMOSトランジスタにおいては、トレンチ28のサイズを縮小したとき、ゲート電極のコンタクト径(線幅)が小さくなる。このため、ゲート電極のコンタクト部形成時には、精密な位置あわせ精度が要求されることになる。したがって、そのような位置あわせ精度を考慮しなければならないので、それによってトレンチ28の微細化に限界が生じる。その結果、トレンチ28の大きさを縮小することができず、セルピッチ、さらにMOSトランジスタの小型化を実現することができない。
In the first conventional MOS transistor shown in FIG. 23A, when the size of the
また、図24(a)に示す第2の従来例のMOSトランジスタにおいては、ゲート層30がトレンチ28の開口部よりも外側に突出して、横方向に張り出している。このため、セルピッチが拡大し、MOSトランジスタの小型化の妨げとなる。また、図24(a)に示す第2の従来例のMOSトランジスタにおいては、隣り合う2つのトレンチ28の間において、半導体層34はソース電極26に接続されるため、隣り合うトレンチ間の間隔を縮小するときに、ソース電極26のコンタクト部の大きさを考慮する必要がある。したがって、隣り合うトレンチ28間の間隔を十分に縮小し得ず、MOSトランジスタの小型化の妨げとなる。
In the MOS transistor of the second conventional example shown in FIG. 24A, the
さらに、図25に示す第3の従来例のMOSトランジスタにおいては、ゲート層30aを、トレンチ28の開口部より外側の半導体層34表面に沿って横方向に突出させることによって、ゲート電極32と接続されるゲートコンタクト部を形成している。また、酸化膜25を選択的にエッチングし、ソースコンタクト部を形成している。このため、それぞれのコンタクト部を形成するために、精密な位置あわせ精度が要求される。また、隣り合うトレンチ28同士の間に、ソースコンタクト部を形成するための設計マージンを確保する必要があり、セルピッチの縮小の妨げとなる。
Furthermore, in the MOS transistor of the third conventional example shown in FIG. 25, the
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、セルピッチを縮小することにより、より小型な半導体装置を提供することである。さらに、精密な位置あわせ精度が不要な半導体装置の製造方法を提供することである。より具体的には、従来の加工装置や加工技術を用いて、容易にセルピッチを縮小し、チップ面積の縮小または高集積化を可能とする半導体装置およびその製造方法を提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a smaller semiconductor device by reducing the cell pitch. It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor device that does not require precise alignment accuracy. More specifically, it is to provide a semiconductor device and a method for manufacturing the same that can easily reduce the cell pitch and reduce the chip area or increase the integration density by using a conventional processing apparatus and processing technology.
本発明に係る半導体装置は、上記課題を解決するために、
半導体基板上に形成された半導体層に形成された溝と、
前記溝の内壁面を被覆するゲート絶縁層と、
前記溝に埋め込まれ、ゲート電極に接続されるゲート層と、
前記溝の開口部を被覆するように形成された第1の絶縁層と、
前記溝の両側に、前記溝に接するように形成された第1の導電型の第1の導電層と、
前記溝の両側に、前記溝に接するように形成された第2の導電型の第2の導電層と、
前記溝、前記第1の導電層および前記第2の導電層上を被覆するように形成され、ソース電極に接続されるソースコンタクト層とを備え、
前記第1の導電層と第2の導電層とは、前記溝の長手方向に隣接していることを特徴としている。
In order to solve the above problems, a semiconductor device according to the present invention provides
A groove formed in a semiconductor layer formed on a semiconductor substrate;
A gate insulating layer covering an inner wall surface of the groove;
A gate layer embedded in the trench and connected to the gate electrode;
A first insulating layer formed to cover the opening of the groove;
A first conductive layer of a first conductivity type formed on both sides of the groove so as to be in contact with the groove;
A second conductive layer of a second conductivity type formed on both sides of the groove so as to be in contact with the groove;
A source contact layer formed so as to cover the groove, the first conductive layer, and the second conductive layer, and connected to a source electrode;
The first conductive layer and the second conductive layer are adjacent to each other in the longitudinal direction of the groove.
前記の構成によれば、半導体基板上に形成された半導体層には溝が形成されている。この溝の内壁面は、ゲート絶縁層によって被覆されている。また、溝の内部には、ゲート絶縁層を介してゲート層が埋め込まれている。さらに、溝の開口部には第1の絶縁層が形成されている。 According to the above configuration, the groove is formed in the semiconductor layer formed on the semiconductor substrate. The inner wall surface of this groove is covered with a gate insulating layer. In addition, a gate layer is embedded in the trench through a gate insulating layer. Further, a first insulating layer is formed in the opening of the groove.
溝の両側には、溝に接するように第1の導電型の第1の導電層および第2の導電型の第2の導電層が形成されている。このとき、第1の導電層と第2の導電層とは、溝の長手方向に沿って隣接している。 A first conductive layer of the first conductivity type and a second conductive layer of the second conductivity type are formed on both sides of the groove so as to be in contact with the groove. At this time, the first conductive layer and the second conductive layer are adjacent to each other along the longitudinal direction of the groove.
溝およびその両側に形成された第1の導電層ならびに第2の導電層上には、ソースコンタクト層が形成されている。ソースコンタクト層は、溝、第1の導電層および第2の導電層上を被覆するように形成されている。このとき、溝とソースコンタクト層との間は、第1の絶縁膜で絶縁されている。 A source contact layer is formed on the trench and the first conductive layer and the second conductive layer formed on both sides thereof. The source contact layer is formed so as to cover the trench, the first conductive layer, and the second conductive layer. At this time, the trench and the source contact layer are insulated by the first insulating film.
このように、第1の導電層と第2の導電層とを、溝の長手方向に沿って隣接するように形成し、溝に埋め込まれたゲート層との絶縁を確保した状態で、第1の導電層および第2の導電層上を被覆するようにソースコンタクト層を形成しているため、ソースコンタクト層の形成領域を溝の長手方向に沿って確保することができる。すなわち、ソースコンタクト層の形成領域は、溝の幅方向のサイズによって制約を受けることがない。 As described above, the first conductive layer and the second conductive layer are formed so as to be adjacent to each other along the longitudinal direction of the groove, and the first conductive layer and the second conductive layer are insulated from the gate layer embedded in the groove. Since the source contact layer is formed so as to cover the conductive layer and the second conductive layer, the source contact layer formation region can be secured along the longitudinal direction of the groove. That is, the source contact layer formation region is not restricted by the size of the trench in the width direction.
したがって、溝の幅方向にセルピッチを縮小したときでも、ソースコンタクト層の形成領域を十分に確保することができる。この結果、セルピッチを縮小した、小型な半導体装置を提供することができるという効果を奏する。 Therefore, even when the cell pitch is reduced in the groove width direction, a sufficient source contact layer formation region can be secured. As a result, it is possible to provide a small semiconductor device with a reduced cell pitch.
また、第1の導電層および第2の導電層上を被覆するようにソースコンタクト層を形成するだけで、ソースコンタクト部を形成することができるので、ソースコンタクト部を形成するための精密な位置あわせ精度が要求されないという効果を併せて奏する。 In addition, since the source contact portion can be formed simply by forming the source contact layer so as to cover the first conductive layer and the second conductive layer, a precise position for forming the source contact portion is provided. In addition, there is an effect that accuracy is not required.
また、本発明に係る半導体装置は、さらに
前記ゲート層に接し、かつ前記半導体層上に素子分離層を介して形成されたゲートコンタクト層をさらに備え、前記ゲート層は、ゲートコンタクト層を介して前記ゲート電極に接続されていることが好ましい。
The semiconductor device according to the present invention further includes a gate contact layer in contact with the gate layer and formed on the semiconductor layer via an element isolation layer, and the gate layer is interposed via the gate contact layer. It is preferable to be connected to the gate electrode.
前記の構成によれば、ゲート層上にゲートコンタクト層が形成されている。また、半導体層上にもゲートコンタクト層が形成されている。このとき、ゲート層上のゲートコンタクト層と半導体層上のゲートコンタクト層は連続した1つの層で形成されている。そして、半導体層とゲートコンタクト層との間には、素子分離層が形成されているため、半導体層とゲートコンタクト層とは電気的に絶縁されている。 According to the above configuration, the gate contact layer is formed on the gate layer. A gate contact layer is also formed on the semiconductor layer. At this time, the gate contact layer on the gate layer and the gate contact layer on the semiconductor layer are formed as one continuous layer. Since the element isolation layer is formed between the semiconductor layer and the gate contact layer, the semiconductor layer and the gate contact layer are electrically insulated.
このように、ゲート層上および半導体層上を覆うようにゲートコンタクト層を形成するため、ゲート層の大きさによってゲートコンタクト層の大きさは制限されない。すなわち、ゲートコンタクト層の形成領域が、ゲート層上から素子分離層上に伸長されていることによって、ゲート層の大きさが縮小しても、ゲートコンタクト層の形成領域を確保することができる。このため、ゲートコンタクト層の形成領域を考慮することなく、ゲート層の大きさを縮小することが可能となり、セルピッチを縮小することができるという効果を奏する。 Thus, since the gate contact layer is formed so as to cover the gate layer and the semiconductor layer, the size of the gate contact layer is not limited by the size of the gate layer. That is, since the formation region of the gate contact layer extends from the gate layer to the element isolation layer, the formation region of the gate contact layer can be secured even if the size of the gate layer is reduced. For this reason, it is possible to reduce the size of the gate layer without considering the formation region of the gate contact layer, and it is possible to reduce the cell pitch.
また、前記溝の側壁の少なくとも一部は前記素子分離層に接していることが好ましい。 Further, it is preferable that at least a part of the side wall of the groove is in contact with the element isolation layer.
前記の構成によれば、溝の側壁の一部が素子分離層に接していることによって、溝に埋め込まれたゲート層と、半導体層に形成された他の層とを十分に絶縁することができる。これにより、半導体装置の性能を向上させることができる。 According to the above configuration, a part of the side wall of the groove is in contact with the element isolation layer, so that the gate layer embedded in the groove and the other layer formed in the semiconductor layer can be sufficiently insulated. it can. Thereby, the performance of the semiconductor device can be improved.
また、前記半導体基板は、N型またはP型の不純物を含んだ単結晶シリコンで形成されていることが好ましい。 The semiconductor substrate is preferably formed of single crystal silicon containing N-type or P-type impurities.
また、前記半導体層は、前記半導体基板上にエピタキシャル層を有しており、当該エピタキシャル層の導電型は、N型またはP型であることが好ましい。 The semiconductor layer preferably has an epitaxial layer on the semiconductor substrate, and the conductivity type of the epitaxial layer is preferably N-type or P-type.
また、前記第1の導電層は、第1の導電型としてN型またはP型の不純物を含んでいることが好ましい。 The first conductive layer preferably includes an N-type or P-type impurity as the first conductivity type.
また、前記第2の導電層は、第1の導電型とは異なるN型またはP型の不純物を含んでいることが好ましい。 The second conductive layer preferably includes an N-type or P-type impurity different from the first conductivity type.
また、前記ゲート層は、N型またはP型の不純物を含んだ多結晶シリコンで形成されていることが好ましい。 The gate layer is preferably formed of polycrystalline silicon containing N-type or P-type impurities.
また、前記ゲートコンタクト層は、前記ゲート層と同型の不純物を含んだ多結晶シリコンで形成されていることが好ましい。 The gate contact layer is preferably made of polycrystalline silicon containing impurities of the same type as the gate layer.
また、本発明に係る半導体装置は、さらに
前記ソースコンタクト層および前記ゲートコンタクト層上に形成された第2の絶縁層と、
前記第2の絶縁層に形成された第1のコンタクト領域においてソースコンタクト層と接続する第1の金属層と、
前記第2の絶縁層に形成された第2のコンタクト領域においてゲートコンタクト層と接続する第2の金属層とを備えていることが好ましい。
The semiconductor device according to the present invention further includes a second insulating layer formed on the source contact layer and the gate contact layer,
A first metal layer connected to a source contact layer in a first contact region formed in the second insulating layer;
It is preferable that a second metal layer connected to the gate contact layer is provided in the second contact region formed in the second insulating layer.
前記の構成によれば、N型の不純物を含む第1の導電層とP型の不純物を含む第2の導電層とを溝の長手方向に沿って隣接するように形成することによって、ソースコンタクト層の形成領域を確保しているため、より小型のNチャネル型MOSFETを提供することができる。また、P型の不純物を含む第1の導電層とN型の不純物を含む第2の導電層とを備えたPチャネル型MOSFETにおいても、上記Nチャネル型MOSFETと同様の効果を奏する。 According to the above configuration, the source contact is formed by forming the first conductive layer containing the N-type impurity and the second conductive layer containing the P-type impurity so as to be adjacent along the longitudinal direction of the groove. Since the formation region of the layer is secured, a smaller N-channel MOSFET can be provided. Also, a P-channel MOSFET provided with a first conductive layer containing a P-type impurity and a second conductive layer containing an N-type impurity has the same effect as the N-channel MOSFET.
本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記課題を解決するために、
半導体基板上に形成された半導体層に溝を形成する工程と、
前記溝の内壁面をゲート絶縁層で被覆する工程と、
前記溝にゲート電極に接続されるゲート層を埋め込む工程と、
前記溝の開口部を被覆するように第1の絶縁層を形成する工程と、
半導体層上に、前記溝を被覆するようにソースコンタクト層を形成する工程と、
前記ソースコンタクト層に覆われた半導体層に、前記溝の両側に接するように第1の導電型の第1の導電層および第2の導電型の第2の導電層を形成する工程とを有し、
前記第1の導電層および前記第2の導電層を形成する工程では、前記第1の導電層と前記第2の導電層とを、前記溝の長手方向に隣接するように形成することを特徴としている。
In order to solve the above problems, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention provides:
Forming a groove in a semiconductor layer formed on the semiconductor substrate;
Coating the inner wall surface of the groove with a gate insulating layer;
Embedding a gate layer connected to a gate electrode in the trench;
Forming a first insulating layer so as to cover the opening of the groove;
Forming a source contact layer on the semiconductor layer so as to cover the groove;
Forming a first conductive type first conductive layer and a second conductive type second conductive layer on the semiconductor layer covered with the source contact layer so as to be in contact with both sides of the groove. And
In the step of forming the first conductive layer and the second conductive layer, the first conductive layer and the second conductive layer are formed so as to be adjacent to each other in the longitudinal direction of the groove. It is said.
前記の構成によれば、溝が形成された半導体層を被覆するようにソースコンタクト層を形成する。そして、ソースコンタクト層に覆われた半導体層に、例えばイオン注入法などにより、第1の導電層および第2の導電層を形成する。このとき、第1の導電層と第2の導電層とを、溝の両側に接するように、かつ溝の長手方向に隣接するように形成する。 According to the above configuration, the source contact layer is formed so as to cover the semiconductor layer in which the groove is formed. Then, a first conductive layer and a second conductive layer are formed in the semiconductor layer covered with the source contact layer by, for example, an ion implantation method. At this time, the first conductive layer and the second conductive layer are formed so as to be in contact with both sides of the groove and adjacent to the longitudinal direction of the groove.
このため、セルピッチを縮小したときでも、ソースコンタクト層を形成するための設計マージンが不要である。その結果、容易にソースコンタクト領域を形成することができるとともに、セルピッチを縮小することができるので、小型な半導体装置を容易に製造することができるという効果を奏する。 This eliminates the need for a design margin for forming the source contact layer even when the cell pitch is reduced. As a result, the source contact region can be easily formed and the cell pitch can be reduced, so that an effect that a small semiconductor device can be easily manufactured is produced.
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、さらに
前記溝の開口部に形成された第1の絶縁層をエッチングし、前記ゲート層の一部を露出させる工程と、
前記露出したゲート層上および前記半導体層上に形成された素子分離層上にゲートコンタクト層を形成する工程とを有することが好ましい。
The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention further includes a step of etching the first insulating layer formed in the opening of the groove to expose a part of the gate layer;
Preferably, the method further includes a step of forming a gate contact layer on the exposed gate layer and the element isolation layer formed on the semiconductor layer.
前記の構成によれば、第1の絶縁層をエッチングすることによって、一部露出したゲート層上にゲートコンタクト層を形成する。また、ゲートコンタクト層を、半導体層上にも形成する。このとき、ゲート層上のゲートコンタクト層と半導体層上のゲートコンタクト層は連続した1つの層で形成する。そして、半導体層とゲートコンタクト層との間に、素子分離層を形成することによって、この2つの層の間を電気的に分離する。 According to the above structure, the gate contact layer is formed on the partially exposed gate layer by etching the first insulating layer. A gate contact layer is also formed on the semiconductor layer. At this time, the gate contact layer on the gate layer and the gate contact layer on the semiconductor layer are formed as one continuous layer. Then, an element isolation layer is formed between the semiconductor layer and the gate contact layer to electrically isolate the two layers.
このように、ゲートコンタクト層を形成するため、ゲート層の大きさによってゲートコンタクト層の大きさは制限されない。このため、ゲートコンタクト層の形成領域を考慮することなく、ゲート層の大きさを縮小することが可能となり、セルピッチを縮小することができるという効果を奏する。また、ゲートコンタクト層を形成するために、精密な位置あわせ精度の必要がないという効果を奏する。 Thus, since the gate contact layer is formed, the size of the gate contact layer is not limited by the size of the gate layer. For this reason, it is possible to reduce the size of the gate layer without considering the formation region of the gate contact layer, and it is possible to reduce the cell pitch. In addition, there is an effect that precise alignment accuracy is not necessary for forming the gate contact layer.
また、前記ソースコンタクト層および前記ゲートコンタクト層を形成する工程は、
半導体層上に多結晶シリコン層を形成し、当該多結晶シリコン層を選択的にエッチングすることによって前記ソースコンタクト層および前記ゲートコンタクト層を同時に形成することが好ましい。
The step of forming the source contact layer and the gate contact layer includes:
Preferably, the source contact layer and the gate contact layer are formed simultaneously by forming a polycrystalline silicon layer on the semiconductor layer and selectively etching the polycrystalline silicon layer.
前記の構成によれば、溝が形成された半導体層全体を覆うように多結晶シリコン層を形成する。この多結晶シリコン層をエッチングすることによって、溝の開口部に形成された第1の絶縁層および半導体層上を覆い、これらの層に接するソースコンタクト層を形成する。同様に、多結晶シリコン層をエッチングすることによって、ゲート層および素子分離層上を覆い、これらの層に接するゲートコンタクト層を形成する。 According to the above configuration, the polycrystalline silicon layer is formed so as to cover the entire semiconductor layer in which the trench is formed. By etching the polycrystalline silicon layer, a source contact layer is formed which covers and covers the first insulating layer and the semiconductor layer formed in the opening of the trench. Similarly, the polycrystalline silicon layer is etched to form a gate contact layer that covers and contacts the gate layer and the element isolation layer.
このように、一つの多結晶シリコン層をエッチングすることによって、ソースコンタクト層およびゲートコンタクト層を同時に形成するため、半導体装置の製造工程を減らすことができるという効果を奏する。 As described above, since the source contact layer and the gate contact layer are simultaneously formed by etching one polycrystalline silicon layer, the manufacturing process of the semiconductor device can be reduced.
本発明に係る半導体装置は、以上のように、半導体層に形成した溝の長手方向に沿って隣接するように形成された第1の導電層および第2の導電層を備え、さらに、溝、第1の導電層および第2の導電層上を被覆するように形成されたソースコンタクト層を備えていることを特徴としている。 As described above, the semiconductor device according to the present invention includes the first conductive layer and the second conductive layer formed so as to be adjacent to each other along the longitudinal direction of the groove formed in the semiconductor layer. A source contact layer formed so as to cover the first conductive layer and the second conductive layer is provided.
これにより、溝の幅方向にセルピッチを縮小したときでも、ソースコンタクト層の形成領域を十分に確保することができるため、半導体装置を小型化することが可能となる。 As a result, even when the cell pitch is reduced in the width direction of the groove, a sufficient region for forming the source contact layer can be secured, and the semiconductor device can be downsized.
本発明の実施の一形態について、図1ないし図19に基づいて説明すれば以下の通りである。 An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 19 as follows.
(MOSトランジスタ1の構成)
以下に、本発明に係るMOSトランジスタ(半導体装置)1の構成について図1に基づいて説明する。図1は、本実施形態のMOSトランジスタ1の概略斜視図である。
(Configuration of MOS transistor 1)
The configuration of a MOS transistor (semiconductor device) 1 according to the present invention will be described below with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic perspective view of a
図1に示すように、MOSトランジスタ1は、単結晶シリコン基板(半導体基板)2、エピタキシャル層3、素子分離層6、ウェル拡散層7、トレンチ(溝)10、ゲート絶縁層11、ゲート層12、シリコン酸化膜層(第1の絶縁層)13、ソースコンタクト層14a、14b、ゲートコンタクト層14c、ソース拡散層15a(第1の導電層)を備えている。また、MOSトランジスタ1は、ソース拡散層15aに隣接するウェルコンタクト層15b(第2の導電層)(図7(a)参照)を備え、ソース拡散層15aとウェルコンタクト層15bとは、トレンチ10の長手方向、換言すればゲート層12の長手方向に沿って隣接して形成されている。
As shown in FIG. 1, a
上記単結晶シリコン基板2、エピタキシャル層3およびウェル拡散層7は、半導体層19を構成している。
The single
なお、図1ないし図19(a)〜(f)において、P型不純物を含む層には「P」を、N型不純物を含む層には「N」を表示している。また、「P」を表示した層よりも高濃度のP型不純物を含む層には「P+」を表示している。 In FIGS. 1 to 19A to 19F, “P” is indicated for a layer containing a P-type impurity, and “N” is indicated for a layer containing an N-type impurity. In addition, “P +” is displayed in a layer containing a P-type impurity at a higher concentration than the layer displaying “P”.
また、図1に示すように、トレンチ10の長手方向をX方向とし、X方向に垂直かつトレンチ10の幅方向をY方向とし、X方向およびY方向に垂直な方向、すなわちトレンチ10の深さ方向をZ方向とする。
Further, as shown in FIG. 1, the longitudinal direction of the
本実施形態にかかるMOSトランジスタ1の構成について、より具体的に説明すれば、以下のとおりである。
The configuration of the
図1に示すように、単結晶シリコン基板2上には、エピタキシャル層3が形成されている。単結晶シリコン基板2は、P型不純物を含み、その導電型がP型である。エピタキシャル層3は、P型の不純物を含み、その導電型はP型であるが、P型不純物の含有濃度は単結晶シリコン基板2よりも低い。エピタキシャル層3中には、ウェル拡散層7が形成されている。ウェル拡散層7は、N型の不純物を含み、その導電型はN型である。
As shown in FIG. 1, an
さらに、ウェル拡散層7中には、ソース拡散層15aおよびウェルコンタクト層15b(図7(a))が形成されている。ソース拡散層15aは、P型の不純物を含み、その導電型はP型である。また、ウェルコンタクト層15bは、ウェル拡散層7と同じ導電型で構成されている。本実施形態においてウェルコンタクト層15bは、ウェル拡散層7とおなじN型の不純物を含み、その導電型はN型である。エピタキシャル層3のトレンチ10、ウェル拡散層7、ソース拡散層15aおよびウェルコンタクト層15bが形成されていない領域上には、素子分離層6が形成されている。
Further, in the
また、MOSトランジスタ1は、ソース拡散層15aおよびウェルコンタクト層15bを貫通し、エピタキシャル層3に達する深さで形成されたトレンチ10を備えている。トレンチ10は、図1に示す矢印X方向に伸長する長辺を有する溝形状に形成されている。また、トレンチ10の内壁面は、ゲート絶縁層11で被覆されている。さらにトレンチ10の内部は、N型の不純物を含む多結晶シリコンで形成されるゲート層12が埋め込まれている。トレンチ10の矢印X方向の側壁の一つが、素子分離層6に達するように形成され、かつトレンチ10の内壁面は、ゲート絶縁層11で覆われているので、トレンチ10の内部に埋め込まれたゲート層12と、エピタキシャル層3、ウェル拡散層7、ソース拡散層15aおよびウェルコンタクト層15bとは、電気的に絶縁されている。
Further, the
トレンチ10の内部に埋め込まれたゲート層12の上面は、ウェル拡散層7の上面よりも高く、かつソース拡散層15aの上面よりも低く形成されている。トレンチ10の開口部には、シリコン酸化膜層13が形成されている。このシリコン酸化膜層13は、トレンチ10の開口部を塞ぐように、ゲート絶縁層11およびゲート層12上に形成されている。
The upper surface of the
さらに、MOSトランジスタ1は、ソースコンタクト部を形成するソースコンタクト層14a、14b、およびゲートコンタクト部を形成するゲートコンタクト層14cを備えている。ソースコンタクト層14a、14bは、図7(a)にも示すように、シリコン酸化膜層13で覆われたトレンチ10、ソース拡散層15aおよびウェルコンタクト層15b上を覆うように形成されている。また、ゲートコンタクト層14cは、トレンチ10に埋め込まれたゲート層12の一部に接し、かつエピタキシャル層3上に形成された素子分離層6上を覆うように形成されている。
Further, the
後で詳述するように、ゲート層12上に、ゲート層12と電気的に接続されたゲートコンタクト層14cが形成され、半導体層19上にもゲートコンタクト層14cが形成されている。このとき、ゲート層12上のゲートコンタクト層14cと半導体層19上のゲートコンタクト層14cは、連続した1つの層で形成されている。そして、半導体層19とゲートコンタクト層14cとの間には、素子分離層6が形成されているため、半導体層19とゲートコンタクト層14cとは電気的に絶縁されている。
As will be described in detail later, a
このように、ゲート層12上および半導体層19上を覆うようにゲートコンタクト層14cを形成するため、ゲート層12の大きさによってゲートコンタクト層14cの大きさは制限されない。すなわち、ゲートコンタクト部をソースコンタクト部から離間させるとともに、ゲートコンタクト層14cの形成領域が、ゲート層12上から素子分離層6上に伸長されていることによって、ゲート層12の大きさが縮小しても、ゲートコンタクト層14cの形成領域を確保することができる。このため、ゲートコンタクト層14cの形成領域を考慮することなく、ゲート層12の大きさを縮小することが可能となり、セルピッチを縮小することができるという効果を奏する。
Thus, since the
また、ゲート層12は、後述するように、エッチバックによってトレンチ10内に埋め込まれているので、図24・25に示す従来例のように、トレンチの開口部から外にゲート層が張り出していない。この点も、トレンチ10の幅方向(Y方向)にセルピッチを縮小することに寄与している。また、図25示す従来例においては、トレンチ28内にゲート層30aを形成する場合に、レジストマスクを用いてゲート層30aの形成領域をパターン化し、さらにエッチングを行っている。このため高い加工精度が要求される上に、設計マージンを確保する必要があり、セルピッチの縮小の妨げとなっていた。一方で、本実施形態においては、エッチバックによってトレンチ10内にゲート層12を埋め込むため、高い加工精度は要求されない。その結果、設計マージンを確保する必要がなく、セルピッチの縮小、すなわちMOSトランジスタ1のサイズを縮小することができるという効果を奏する。
Further, since the
(ソースコンタクト層14a、14bおよびゲートコンタクト層14cの構成)
本実施形態のMOSトランジスタ1が備えるソースコンタクト層14a、14bおよびゲートコンタクト層14cの構成について、図2〜8に基づいてさらに詳述する。図2は、図1の矢印Z方向(上面)からみたMOSトランジスタ1の外略平面図であり、図3〜8は、MOSトランジスタ1の断面図である。
(Configuration of source contact layers 14a and 14b and
The configurations of the source contact layers 14a and 14b and the
図2に示すように、ソースコンタクト層14aとソースコンタクト層14bとは、トレンチ10の長手方向に隣接して形成されている。また、ソースコンタクト層14a、14bとゲートコンタクト層14cとは、トレンチ10の長手方向に隣り合うように形成されているが、ソースコンタクト層14a、14bとゲートコンタクト層14cとは、いずれの領域においても接しておらず、電気的にも接続されていない。
As shown in FIG. 2, the
図3は、図2のA−A’における矢視断面図である。図3に示すように、ソースコンタクト層14aは、ソース拡散層15aおよびトレンチ10上のシリコン酸化膜層13を覆うように形成されている。このように、ソースコンタクト層14aは、ソース拡散層15aと接している一方、トレンチ10の内部に埋め込まれたゲート層12とは、シリコン酸化膜層13を介することによって、電気的に絶縁されている。
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ in FIG. 2. As shown in FIG. 3, the
図4は、図2のB−B’における矢視断面図である。図4に示すように、ソースコンタクト層14bは、ウェルコンタクト層15bおよびトレンチ10上のシリコン酸化膜層13を覆うように形成されている。このように、ソースコンタクト層14bは、ウェルコンタクト層15bと接している一方、トレンチ10の内部に埋め込まれたゲート層12とは、シリコン酸化膜層13を介することによって、電気的に絶縁されている。
FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line B-B ′ in FIG. 2. As shown in FIG. 4, the
図5は、図2のC−C’における矢視断面図であり、図6は、図2のD−D’における矢視断面図である。図5に示すように、ゲートコンタクト層14cは、素子分離層6およびトレンチ10を覆うように形成されている。当該断面において、ゲートコンタクト層14cは、トレンチ10の内部に埋め込まれたゲート層12と接している。また図5および図6に示すように、ゲートコンタクト層14cとエピタキシャル層3との間には素子分離層6が形成されているため、ゲートコンタクト層14cとエピタキシャル層3とはいずれの断面においても電気的に絶縁されている。
5 is a cross-sectional view taken along the line C-C ′ in FIG. 2, and FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line D-D ′ in FIG. 2. As shown in FIG. 5, the
図7(a)は、図2のE−E’における矢視断面図、図7(b)は、図7(a)に示す領域Aの拡大図である。図7(a)に示すように、ウェル拡散層7中に形成されたソース拡散層15aとウェルコンタクト層15bとは、ウェル拡散層7の長手方向(トレンチ10の長手方向)に沿って隣接している。そして、既に説明したとおり、ソース拡散層15a上にはソースコンタクト層14aが形成され、ウェルコンタクト層15b上にはソースコンタクト層14bが形成されている。
7A is a cross-sectional view taken along the line E-E ′ in FIG. 2, and FIG. 7B is an enlarged view of the region A shown in FIG. As shown in FIG. 7A, the
このようにソース拡散層15aおよびウェルコンタクト層15bが形成されていることによって、ソースコンタクト層14a、14bの形成領域をウェル拡散層7の長手方向(トレンチ10の長手方向)に確保することができる。したがって、ソースコンタクト層14a、14bの形成領域に制限されることなく、トレンチ10の幅方向(図1の矢印Y方向)のセルピッチを縮小することが可能であり、MOSトランジスタ1の小型化を実現し得る。
By forming the
なお図7(b)は、図7(a)に示す素子分離層6のウェル拡散層7側のエッジ形状を示す拡大図である。図7(b)に示すように、素子分離層6のウェル拡散層7側のエッジ形状は、いわゆるバーズビーク形状となる。このような素子分離層6のエッジ形状については、本発明のMOSトランジスタ1の製造方法の説明において後述する。
FIG. 7B is an enlarged view showing the edge shape on the
図8は、図2のF−F’における矢視断面図である。図8に示すように、トレンチ10上に形成されたシリコン酸化膜層13のうち、ソースコンタクト層14a、14bと接していない領域の一部は切り欠かれている。このシリコン酸化膜層13が切り欠かれた領域において、ゲートコンタクト層14cはゲート層12に接し、かつ素子分離層6を覆うように形成されている。ここで、トレンチ10は、図7(a)(b)に示す素子分離層6の形成領域に入りこむように、すなわち、素子分離層6のバーズビーク形状のエッジ部分よりも、さらに素子分離層6側に位置するように形成されている。このゲートコンタクト層14cは、ゲート層12と同様に、N型の不純物を含む多結晶シリコンで形成されている。また、ゲートコンタクト層14cとエピタキシャル層3との間は素子分離層6により分離されているため、ゲートコンタクト層14cとエピタキシャル層3とは、電気的に絶縁されている。
FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the line F-F ′ in FIG. 2. As shown in FIG. 8, a part of the silicon
このように、ゲートコンタクト層14cの形成領域が、ゲート層12上から素子分離層6まで伸長されていることによって、ゲート層12が埋め込まれたトレンチ10の大きさ(特に幅)を適宜変更しても、ゲートコンタクト層14cの形成領域を十分に確保することができる。したがって、ゲートコンタクト層14cの形成領域に制限されることなく、トレンチ10を縮小することが可能であり、MOSトランジスタ1の小型化を実現し得る。
As described above, since the formation region of the
(MOSトランジスタ1の製造方法)
本発明にかかるMOSトランジスタ1の製造方法について、図9(a)(b)ないし図19(a)〜(f)に基づいて説明する。図9(a)は、図1の矢印X方向からみたMOSトランジスタ1をY−Z切断面によって示す断面図、図9(b)は、図1の矢印Y方向からみたMOSトランジスタ1をX−Z切断面によって示す断面図である。
(Manufacturing method of MOS transistor 1)
A method for manufacturing the
図9(a)(b)に示すように、MOSトランジスタ1は、単結晶シリコン基板2、エピタキシャル層3、素子分離層6、ウェル拡散層7、トレンチ10、ゲート絶縁層11、ゲート層12、シリコン酸化膜層13、ソースコンタクト層14a、14b、ゲートコンタクト層14c、ソース拡散層15a、ウェルコンタクト層15b(図7(a))を備えており、さらに層間絶縁層(第2の絶縁層)16、ソース電極(第1の金属層)17a、ゲート電極(第2の金属層)17b、およびドレイン電極18を備えている。
9A and 9B, the
図9(a)に示すように、ソース電極17aはソースコンタクト層14aに接続されている。また、ソースコンタクト層14aおよびソースコンタクト層14bは、図7(a)および図8に示す通り、一連のパターン化された多結晶シリコン膜に、P型不純物とN型不純物を打ち分けることにより形成される。このため、ソース電極17aは、ソースコンタクト層14bにも接続されている。ソースコンタクト層14a、14bとソース電極17aとの間には、層間絶縁層16が形成されており、ソースコンタクト層14a、14bとソース電極17aとの接点以外は、この層間絶縁層16によって分離、絶縁されている。
As shown in FIG. 9A, the
図9(b)に示すように、ゲート電極17bはゲートコンタクト層14cに接続されている。ここで、ソースコンタクト層14a、14bに接続されるソース電極17aと、ゲートコンタクト層14cに接続されるゲート電極17bとは分離しており、いずれの断面においても接していない。このゲートコンタクト層14cに接続されるゲート電極17bを介して、ゲート層12に負電位を印加することにより、図9(a)に示すトレンチ10の側面にチャネルが形成される。このチャネルを、矢印方向に沿ってキャリアが移動することによって、ソース電極17aとドレイン電極18との間に電流が流れる。
As shown in FIG. 9B, the
以下に、図9(a)(b)に示すMOSトランジスタ1の製造工程について、図10(a)〜(d)ないし図19(a)〜(f)に基づいて説明する。なお、本実施形態のMOSトランジスタ1の製造工程において、形成する種々の膜および層は、化学気相成長法(CVD法)、熱酸化法等の従来の成膜技術を用いて形成する。また、これらの膜および層のエッチングには、ドライエッチング、ウェットエッチング、フォトエッチング等の従来のエッチング技術を用いる。
Hereinafter, the manufacturing process of the
(第1の製造工程)
図10(a)〜(d)は、MOSトランジスタ1の第1の製造工程を示す図である。図10(a)は、図1における矢印X方向に垂直なY−Z切断面の断面図であり、図10(b)は、図1における矢印Y方向に垂直なX−Z切断面の断面図である。また、図10(c)は、図10(a)を上面からみた部分平面図であり、図10(d)は、図10(b)を上面からみた平面図である。
(First manufacturing process)
FIGS. 10A to 10D are views showing a first manufacturing process of the
なお、図10(a)(c)は、ソースコンタクト部付近を示し、図10(b)(d)は、ゲートコンタクト部付近を示している。 10A and 10C show the vicinity of the source contact portion, and FIGS. 10B and 10D show the vicinity of the gate contact portion.
第1の製造工程において、まず、図10(a)〜(d)に示すように、単結晶シリコン基板2上にエピタキシャル層3を形成する。ここで、単結晶シリコン基板2は、P型の不純物を含み、かつその抵抗率(比抵抗)が例えば0.005〜0.01Ω・cmであり、エピタキシャル層3は、単結晶シリコン基板2よりもP型不純物の含有濃度が低い。
In the first manufacturing process, first, an
次に、エピタキシャル層3上に第1のシリコン酸化膜4を、例えば膜厚が10nm〜50nmになるように堆積する。この第1のシリコン酸化膜4は、後述する第6の製造工程においてシリコン酸化膜層13を形成するときのマスクとして使用する。さらに、第1のシリコン酸化膜4上に、第1のシリコン窒化膜5を、例えば膜厚が100nm〜300nmになるように堆積する(図10(a)(c))。さらに、第1のシリコン窒化膜5を選択的にエッチングすることによって、続く第2の製造工程において素子分離層6を形成する領域をパターン化する(図10(b)(d))。このように第1のシリコン窒化膜5をエッチングすることによって、第1のシリコン酸化膜4の一部を露出させる。
Next, a first
(第2の製造工程)
図11(a)〜(d)は、MOSトランジスタ1の第2の製造工程を示す図である。図11(a)は、図1における矢印X方向に垂直なY−Z切断面の断面図であり、図11(b)は、図1における矢印Y方向に垂直なX−Z切断面の断面図である。また、図11(c)は、図11(a)を上面からみた部分平面図であり、図11(d)は、図11(b)を上面からみた平面図である。
(Second manufacturing process)
FIGS. 11A to 11D are views showing a second manufacturing process of the
なお、図11(a)(c)は、ソースコンタクト部付近を示し、図11(b)(d)は、ゲートコンタクト部付近を示している。 11A and 11C show the vicinity of the source contact portion, and FIGS. 11B and 11D show the vicinity of the gate contact portion.
第2の製造工程において、まず、図11(a)〜(d)に示すように、第1の製造工程においてパターン化した領域(図11(a)(c))に、素子分離層6を例えば層厚が200nm〜1100nmになるように堆積する。素子分離層6を形成した後、第1のシリコン窒化膜5をウェットエッチングにより除去する(図11(b)(d))。ここで、素子分離層6を形成するとき、図10(b)に示す第1のシリコン窒化膜5の下側に存在するシリコン基板(図10(b)においては第1のシリコン酸化膜4およびエピタキシャル層3)の一部も酸化される。これにより、素子分離膜6は、第1のシリコン酸化膜4に入り込むように形成され、この酸化膜に入り込んだ領域は、いわゆるバーズビーク形状を有する。なお図7(a)および図11(b)においては、当該エッジ部のバーズビークの形状を簡略化して示している。
In the second manufacturing process, first, as shown in FIGS. 11A to 11D, the
次に、エピタキシャル層3に、N型不純物をイオン注入することによってウェル拡散層7を形成する(図11(a)(b))。このとき、イオン注入には、例えばリン(31P+)を用いて、イオンエネルギー80keV〜360keVで1.0E+12〜1.0E+14/cm2程度注入する。このようにイオン注入を行うことによって、ウェル拡散層7を、例えば表面不純物濃度が5×1016〜7×1017(atoms/cm3)、深さが1〜5μmになるように形成する。本製造工程において形成した単結晶シリコン基板2、エピタキシャル層3およびウェル拡散層7から、半導体層19は構成される。
Next, a
(第3の製造工程)
図12(a)〜(d)は、MOSトランジスタ1の第3の製造工程を示す図である。図12(a)は、図1における矢印X方向に垂直なY−Z切断面の断面図であり、図12(b)は、図1における矢印Y方向に垂直なX−Z切断面の断面図である。また、図12(c)は、図12(a)を上面からみた部分平面図であり、図12(d)は、図12(b)を上面からみた平面図である。
(Third manufacturing process)
12A to 12D are diagrams showing a third manufacturing process of the
なお、図12(a)(c)は、ソースコンタクト部付近を示し、図12(b)(d)は、ゲートコンタクト部付近を示している。 FIGS. 12A and 12C show the vicinity of the source contact portion, and FIGS. 12B and 12D show the vicinity of the gate contact portion.
第3の製造工程において、まず、図12(a)〜(d)に示すように、第1のシリコン酸化膜4および素子分離層6上に、第2のシリコン窒化膜8を、例えば膜厚が100nm〜300nmになるように堆積する。この第2のシリコン窒化膜8は、後述する第6の製造工程においてシリコン酸化膜層13を形成するときのマスクとして使用する。さらに、第2のシリコン窒化膜8上に、CVD酸化膜9を、例えば膜厚が100nm〜400nmになるように堆積する。このCVD酸化膜9は、続く第4の製造工程においてトレンチ10を形成するときのマスクとして使用するため、トレンチ10の形成に適した膜厚になるように堆積すればよい。次に、第1のシリコン酸化膜4、素子分離層6、第2のシリコン窒化膜8およびCVD酸化膜9をエッチングすることによって、続く第4の製造工程においてトレンチ10を形成する領域をパターン化する。
In the third manufacturing process, first, as shown in FIGS. 12A to 12D, a second
(第4の製造工程)
図13(a)〜(d)は、MOSトランジスタ1の第4の製造工程を示す図である。図13(a)は、図1における矢印X方向に垂直なY−Z切断面の断面図であり、図13(b)は、図1における矢印Y方向に垂直なX−Z切断面の断面図である。また、図13(c)は、図13(a)を上面からみた部分平面図であり、図13(d)は、図13(b)を上面からみた平面図である。
(Fourth manufacturing process)
FIGS. 13A to 13D are views showing a fourth manufacturing process of the
なお、図13(a)(c)は、ソースコンタクト部付近を示し、図13(b)(d)は、ゲートコンタクト部付近を示している。 13A and 13C show the vicinity of the source contact portion, and FIGS. 13B and 13D show the vicinity of the gate contact portion.
第4の製造工程において、まず、図13(a)〜(d)に示すように、前記第3の製造工程においてパターン化した第1のシリコン酸化膜4、素子分離層6、第2のシリコン窒化膜8およびCVD酸化膜9をマスクとして、半導体層19をエッチングすることによって、トレンチ10を形成する。このとき、トレンチ10は、ウェル拡散層7を貫通し、エピタキシャル層3に達する深さであり、例えば深さが半導体層19の上面から1.2μm〜10.0μmになるように形成する。トレンチ10の深さは、所望する電気特性に応じて適宜変更可能である。
In the fourth manufacturing process, first, as shown in FIGS. 13A to 13D, the first
また、トレンチ10を、矢印X方向に伸長する長辺を有する溝形状に形成する。このとき、トレンチ10の側壁の一部が、図11(d)に示す第1のシリコン酸化膜4と素子分離層6との境界線よりも素子分離層6側に位置するように、トレンチ10を形成する(図13(d))。このようにトレンチ10を形成することによって、後述する第5の製造工程において形成するゲート層12と、半導体層19を構成する各層とを電気的に絶縁することができる。さらに、後述する第9の製造工程において、ゲートコンタクト層14cを、ゲート層12に接し、かつ素子分離層6を覆うように形成することができるため、ゲートコンタクト層14cと、半導体層19を構成する各層とを電気的に絶縁することができる。
The
(第5の製造工程)
図14(a)〜(d)は、MOSトランジスタ1の第5の製造工程を示す図である。図14(a)は、図1における矢印X方向に垂直なY−Z切断面の断面図であり、図14(b)は、図1における矢印Y方向に垂直なX−Z切断面の断面図である。また、図14(c)は、図14(a)を上面からみた平面図であり、図14(d)は、図14(b)を上面からみた平面図である。
(Fifth manufacturing process)
14A to 14D are diagrams showing a fifth manufacturing process of the
なお、図14(a)(c)は、ソースコンタクト部付近を示し、図14(b)(d)は、ゲートコンタクト部付近を示している。 14A and 14C show the vicinity of the source contact portion, and FIGS. 14B and 14D show the vicinity of the gate contact portion.
第5の製造工程において、まず、図14(a)〜(d)に示すように、前記第4の製造工程において形成したトレンチ10の内壁面をシリコン酸化膜で被覆することによって、ゲート絶縁層11を形成する。このとき内壁面を被覆するシリコン酸化膜の膜厚が、例えば50nm〜100nmになるように形成する。このとき、ゲート絶縁層11は、半導体層(図14(b)においてはエピタキシャル層3)の一部を酸化し、半導体層19側に侵食するように形成される。このため、図14(b)に示すように、ゲート絶縁層11の上面が素子分離層6の下面に接するように、すなわち、ゲート絶縁層11が素子分離層6の下側に形成される。さらに、N型不純物を含んだ多結晶シリコンを、トレンチ10内に埋め込むように堆積する。このとき、多結晶シリコンの層厚が、例えば100nm〜1000nmになるように堆積する。堆積する多結晶シリコンの層厚は、トレンチ10の大きさ(特に幅)に応じて、適宜変更する。
In the fifth manufacturing process, first, as shown in FIGS. 14A to 14D, a gate insulating layer is formed by covering the inner wall surface of the
次に、多結晶シリコン層をエッチバックして、ゲート層12を形成する。エッチバック量は、堆積する多結晶シリコン層の層厚により異なる。ただし、後述する第6の製造工程において形成するシリコン酸化膜層13と、第9の製造工程において形成するソースコンタクト層14a及び14bとの絶縁を適切に行うために、トレンチ10内に堆積させる多結晶シリコンの上面は、ウェル拡散層7の上面から、第2のシリコン窒化膜8の下面までの範囲に位置するように制御する必要がある。また多結晶シリコンの上面、すなわちゲート層12の上面を、上述した位置になるようにエッチバックした結果、ゲートコンタクト部付近では、ゲート層12の上面が素子分離層6の下面から上面の範囲に位置することになる(図14(b))。
Next, the polycrystalline silicon layer is etched back to form the
このとき、例えばトレンチ10内に堆積させる多結晶シリコンの上面が上述した範囲よりも高い場合、すなわちゲート層12の上面が第2のシリコン窒化膜8の下面よりも上に位置する場合、後述する第6の製造工程において形成されるシリコン酸化膜層13は縦(深さ)方向にのみ成長することになる。これは、ゲート層12の側壁部分が第2のシリコン窒化膜8に覆われていることにより、ゲート層12の幅方向(横方向)に成長させることができないからである。
At this time, for example, when the upper surface of the polycrystalline silicon deposited in the
したがって、第2のシリコン窒化膜8の上面付近にゲート層12の上面が位置するとき、後述する第9の製造工程において形成されるソースコンタクト層14a、14bと、ゲート層12との間を十分に絶縁するために、シリコン酸化膜層13の層厚をさらに厚くする必要がある。なぜならば、シリコン酸化膜層13の層厚が薄いと、後述する第7の製造工程において第2のシリコン窒化膜8をエッチングするときに、ゲート層12の側面を露出させてしまう恐れがあり、これによりソースコンタクト層14a、14bとゲート層12との間を十分に絶縁することが困難になるからである。
Therefore, when the upper surface of the
しかしながら、シリコン酸化膜層13の層厚を厚くすると、後述する第8の製造工程においてシリコン酸化膜層13と併せて、素子分離膜6の一部をエッチングすることによって、ゲートコンタクト層14cの形成領域をパターン化するときに、エッチング加工が困難となる。すなわち、シリコン酸化膜層13が横方向へ成長していないにも関わらず、シリコン酸化膜の膜厚にエッチングマージンを加味した量のエッチング量が必要となる。これによりトレンチ10の側壁に形成されたゲート絶縁層11、および素子分離膜6を過剰なエッチングにより除去してしまうという問題が生じる。
However, when the thickness of the silicon
このため、ゲート層12の上面が、第2のシリコン窒化膜8の下面よりも下側に位置するようにエッチバックする必要がある。
Therefore, it is necessary to etch back so that the upper surface of the
一方で、トレンチ10内に堆積させる多結晶シリコンの上面が上述した範囲よりも低いとき、すなわちゲート層12の上面がウェル拡散層7の上面よりも下に位置するとき、後述する第6の製造工程において形成されるシリコン酸化膜層13は、縦(深さ)方向のみではなく、横方向(トレンチ10から外側)にも成長する。
On the other hand, when the upper surface of the polycrystalline silicon deposited in the
したがって、シリコン酸化膜層13を形成するとき、隣り合うトレンチ10間に存在する半導体層19のうち、トレンチ10により近いところに形成されるシリコン酸化膜層13の層厚が厚くなる一方で、トレンチ10からより離れたところに形成されるシリコン酸化膜層13の層厚は薄くなる。このため、後述する第7の製造工程において正確にエッチングすることが困難になる。
Therefore, when the silicon
そして、半導体層19上に成長したシリコン酸化膜層13を除去するとき、エッチング量が多くなると、第9の製造工程において形成されるソースコンタクト層14a、14bが、直接ゲート層12に接し、十分に絶縁できなくなる恐れがある。また、エッチング量が少なくなると、ソースコンタクト層14a、14bと半導体層19とが接する領域が、トレンチ10から離れることによって、抵抗成分が大きくなり、製造されるMOSトランジスタ1の特性に影響を与えることになる。さらに、シリコン酸化膜層13の層厚を薄くしたとき、後述する第9の製造工程において形成されるソースコンタクト層14a、14bと、ゲート層12とを十分に絶縁することができないという問題が生じる。
When the silicon
このため、ゲート層12の上面が、ウェル拡散層7の上面よりも上側に位置するようにエッチバックする必要がある。
(第6の製造工程)
図15(a)〜(d)は、MOSトランジスタ1の第6の製造工程を示す図である。図15(a)は、図1における矢印X方向に垂直なY−Z切断面の断面図であり、図15(b)は、図1における矢印Y方向に垂直なX−Z切断面の断面図である。また、図15(c)は、図15(a)を上面からみた部分平面図であり、図15(d)は、図15(b)を上面からみた平面図である。
Therefore, it is necessary to etch back so that the upper surface of the
(Sixth manufacturing process)
FIGS. 15A to 15D are views showing a sixth manufacturing process of the
なお、図15(a)(c)は、ソースコンタクト部付近を示し、図15(b)(d)は、ゲートコンタクト部付近を示している。 FIGS. 15A and 15C show the vicinity of the source contact portion, and FIGS. 15B and 15D show the vicinity of the gate contact portion.
第6の製造工程において、まず、図15(a)〜(d)に示すように、第2のシリコン窒化膜8上のCVD酸化膜9をエッチバックした後、トレンチ10内に形成したゲート層12上に、熱酸化法を用いて選択的にシリコン酸化膜を堆積することによって、シリコン酸化膜層13を形成する。シリコン酸化膜層13は、ゲート層12と、後述する第9の製造工程において形成するソースコンタクト層14a、14bとを絶縁するのに十分な層厚になるように形成する必要がある。このため、シリコン酸化膜層13の層厚が例えば200nm〜1000nmになるように形成する。
In the sixth manufacturing process, first, as shown in FIGS. 15A to 15D, after the
(第7の製造工程)
図16(a)〜(d)は、MOSトランジスタ1の第7の製造工程を示す図である。図16(a)は、図1における矢印X方向に垂直なY−Z切断面の断面図であり、図16(b)は、図1における矢印Y方向に垂直なX−Z切断面の断面図である。また、図16(c)は、図16(a)を上面からみた部分平面図であり、図16(d)は、図16(b)を上面からみた平面図である。
(Seventh manufacturing process)
FIGS. 16A to 16D are diagrams showing a seventh manufacturing process of the
なお、図16(a)(c)は、ソースコンタクト部付近を示し、図16(b)(d)は、ゲートコンタクト部付近を示している。 16A and 16C show the vicinity of the source contact portion, and FIGS. 16B and 16D show the vicinity of the gate contact portion.
第7の製造工程において、まず、図16(a)〜(d)に示すように、第2のシリコン窒化膜8をウェットエッチングにより除去する。さらに、ウェル拡散層7上の第1のシリコン酸化膜4をエッチングする。このとき、例えば第1のシリコン酸化膜4上にフォトレジストパターンを形成し、このフォトレジストパターンをエッチングマスクとして用いて、種々のエッチング技術(ドライエッチングまたはウェットエッチング、あるいはドライエッチングおよびウェットエッチングの併用)により、第1のシリコン酸化膜4を選択的に除去する。
In the seventh manufacturing process, first, as shown in FIGS. 16A to 16D, the second
(第8の製造工程)
図17(a)〜(e)は、MOSトランジスタ1の第8の製造工程を示す図である。図17(a)は、図1における矢印X方向に垂直なY−Z切断面の断面図であり、図17(b)は、図1における矢印Y方向に垂直なX−Z切断面の断面図である。また、図17(c)は、図17(a)を上面からみた部分平面図であり、図17(d)は、図17(b)を上面からみた平面図である。さらに、図17(e)は、図17(d)のG−G’における矢視断面図である。
(Eighth manufacturing process)
FIGS. 17A to 17E are views showing an eighth manufacturing process of the
なお、図17(a)(c)は、ソースコンタクト部付近を示し、図17(b)(d)(e)は、ゲートコンタクト部付近を示している。 FIGS. 17A and 17C show the vicinity of the source contact portion, and FIGS. 17B, 17D and 17E show the vicinity of the gate contact portion.
第8の製造工程において、まず、図17(b)(d)に示すように、ゲート層12上のシリコン酸化膜層13をエッチングする。このシリコン酸化膜層13を選択的に除去した領域において、トレンチ10内部のゲート層12が一部露出した状態になる。図17(a)〜(e)に示すように、シリコン酸化膜層13をエッチングするときに、シリコン酸化膜層13のみを選択的に除去するには、高度な加工精度が要求されるため、エピタキシャル層3上に形成された素子分離層6の一部も含めてエッチングを行い、ゲート層12の一部を露出させる。
In the eighth manufacturing process, first, as shown in FIGS. 17B and 17D, the silicon
次に、図20(a)〜(d)に基づいて第8の製造工程をさらに詳細に説明する。図20(a)〜(c)は、第8の製造工程において図17(e)に示す断面図の構成に至る過程を示し、図20(d)は、続く第9の製造工程において図18(h)に示す断面図のように、ゲートコンタクト層14cが形成された状態を示している。
Next, the eighth manufacturing process will be described in more detail with reference to FIGS. 20A to 20C show a process leading to the configuration of the cross-sectional view shown in FIG. 17E in the eighth manufacturing process, and FIG. 20D shows the process in the ninth manufacturing process shown in FIG. As shown in the cross-sectional view of (h), the
図20(a)に示すように、第7の製造工程の終了時に、エピタキシャル層3およびゲート絶縁層11上には素子分離層6が形成されており、ゲート層12上にはシリコン酸化膜層13が形成されている。次に、図20(b)に示すように、素子分離層6上にフォトレジストパターン42を形成する。このフォトレジストパターン42をエッチングマスクとして用いてエッチングすることによって、ゲートコンタクト層14cの形成領域をパターン化する。
As shown in FIG. 20A, at the end of the seventh manufacturing process, the
これにより、図20(c)に示すように、シリコン酸化膜層13と共に、素子分離層6の一部も合わせて除去する。このように、シリコン酸化膜層13を除去し、ゲート層12を露出させるときに、シリコン酸化膜層13と素子分離層6の一部とを併せてエッチングするため、加工が容易となる。そして、後述する第9の製造工程において、図20(d)に示すように、エッチングにより形成したパターン上にゲートコンタクト層14cを形成する。その後、フォトレジストパターン42を剥離し、ゲートコンタクト層14cのパターンニングが完了する。
Thereby, as shown in FIG. 20C, together with the silicon
ここで、上述した図20(c)において、シリコン酸化膜層13および素子分離層6の一部を除去するときに、エッチングが正常に行われないと、製造されるMOSトランジスタ1が正常に作動しない可能性がある。
Here, in FIG. 20C described above, when the silicon
例えば図21(a)に示すように、エッチングが過剰に行われたとき、隣り合うゲート層12同士の間の素子分離層6、およびゲート絶縁層11の一部が取り除かれ、ゲート層12の側面の一部が露出する。そして、この過剰なエッチングによりパターン化された領域に、図21(b)に示すようにゲートコンタクト層14cを形成すると、ゲートコンタクト層14cは直接エピタキシャル層3に接することになり、両素子間を絶縁することができず、導通してしまう。
For example, as shown in FIG. 21A, when the etching is performed excessively, the
一方で、図22(a)に示すように、エッチングが不足したとき、ゲート層12上にシリコン酸化膜層13が残存する。そして、このエッチングによりパターン化された領域に、図22(b)に示すようにゲートコンタクト層14cを形成すると、ゲートコンタクト層14cとゲート層12との間は、残存するシリコン酸化膜層13により絶縁され、導通しない。
On the other hand, as shown in FIG. 22A, when the etching is insufficient, the silicon
このため、エッチング量を適切に設計する必要がある。そして、エッチング不良による不具合を防ぐために、第2の製造工程において形成する素子分離層6の層厚は、第6の製造工程において形成するシリコン酸化膜層13の層厚よりも厚いことが好ましい。
For this reason, it is necessary to design the etching amount appropriately. And in order to prevent the malfunction by etching failure, it is preferable that the layer thickness of the
(第9の製造工程)
図18(a)〜(f)は、MOSトランジスタ1の第9の製造工程を示す図である。図18(a)は、図1における矢印X方向に垂直なY−Z切断面の断面図であり、図18(b)は、図1における矢印Y方向に垂直なX−Z切断面の断面図である。また、図18(c)は、図18(a)を上面からみた部分平面図であり、図18(d)は、図18(b)を上面からみた平面図である。さらに、図18(e)は、図1における矢印X方向に垂直な他のY−Z切断面の断面図であり、図18(f)は、図18(d)のH−H’における矢視断面図である。
(9th manufacturing process)
FIGS. 18A to 18F are views showing a ninth manufacturing process of the
第9の製造工程において、まず、ソースコンタクト部およびゲートコンタクト部の区別をすることなく、ウェル拡散層7、シリコン酸化膜層13および素子分離層6上に多結晶シリコン膜を一括して堆積する。このとき、前記第8の製造工程において、シリコン酸化膜層13の一部を除去し、ゲート層12が露出した領域上にも、多結晶シリコン膜を堆積する。次に、図18(a)〜(f)に示すように、堆積した多結晶シリコン膜をエッチングすることによって、ソースコンタクト層14a、14b(図1・7参照)およびゲートコンタクト層14cを形成するためのパターン化を同時に行う。
In the ninth manufacturing process, first, a polycrystalline silicon film is collectively deposited on the
そして、このパターン化された多結晶シリコン膜のうち、ウェル拡散層7に接する領域の一部にP型不純物をイオン注入することによってソースコンタクト層14aを形成し、多結晶シリコン膜のウェル拡散層7に接する他の領域にN型不純物をイオン注入することによって、ソースコンタクト層14b(図18(e))を形成する。トレンチ10上を覆うようにソースコンタクト層14a、14bは形成されるが、ソースコンタクト層14a、14bとゲート層12とは、シリコン酸化膜層13によって電気的に絶縁されている。また、多結晶シリコン膜のうち、ゲート層12に接し、かつ素子分離層6に接する領域にN型不純物をイオン注入することによって、導電型がN型のゲートコンタクト層14c(図18(b)(d)(f))を形成する。
Then, a
このとき、ソースコンタクト層14aには、P型不純物として、例えばフッ化硼素(BF2)を、イオンエネルギー30keV〜80keVで1.0E+13〜1.0E+16/cm2程度注入する。また、ソースコンタクト層14bおよびゲートコンタクト層14cには、N型不純物として、例えばヒ素(As)を、イオンエネルギー30keV〜80keVで1.0E+13〜1.0E+16/cm2程度注入する。
At this time, boron fluoride (BF 2 ), for example, as a P-type impurity is implanted into the
イオン注入後に、これらの層を熱処理(850℃〜950℃)し、ソースコンタクト層14a中に注入したBF2をウェル拡散層7に拡散させることによって、ソース拡散層15aを形成する(図18(a))。これと同時に、ソースコンタクト層14b中に注入したAsはウェル拡散層7に拡散され、ウェルコンタクト層15bが形成される(図18(e))。このとき、ソース拡散層15aおよびウェルコンタクト層15bの深さが、例えば0.2μm〜0.5μmになるように形成する。
After ion implantation, these layers are heat-treated (850 ° C. to 950 ° C.), and BF 2 implanted into the
このように、ソース拡散層15aとウェルコンタクト層15bとを、トレンチ10の幅方向ではなく、トレンチ10の長手方向に隣接して形成しているので、ソースコンタクト層14a、14bの形成領域をトレンチ10の長手方向に確保することができる。これにより、トレンチ10の幅方向(図1の矢印Y方向)のセルピッチを縮小したときでも、ソースコンタクト層14a、14bの形成領域を十分に確保できる。この結果、ソースコンタクト層14a、14bの形成領域に制限されることなく、トレンチ10の幅方向のセルピッチを縮小することが可能であり、MOSトランジスタ1の小型化を実現し得る。
Thus, since the
また、多結晶シリコン膜で形成したゲートコンタクト層14cは、Asの注入により、その導電型がN型となり、ゲート層12の導電型と同型となる。ゲートコンタクト層14cを、上述した第8の製造工程において露出させたゲート層12に接し、かつ素子分離層6上を覆うように形成しているため、ゲートコンタクト層14cの形成領域をトレンチ10上から素子分離層6上まで伸長させることができる。このため、ゲート層12が埋め込まれたトレンチ10の大きさ(特に幅)を適宜変更しても、ゲートコンタクト層14cの形成領域を十分に確保することができる。したがって、ゲートコンタクト層14cの形成領域に制限されることなく、トレンチ10を縮小することが可能であり、MOSトランジスタ1の小型化を実現し得る。
Further, the
(第10の製造工程)
図19(a)〜(f)は、MOSトランジスタ1の第10の製造工程を示す図である。図19(a)は、図1における矢印X方向に垂直なY−Z切断面の断面図であり、図19(b)は、図1における矢印Y方向に垂直なX−Z切断面の断面図である。また、図19(c)は、図19(a)を上面からみた部分平面図であり、図19(d)は、図19(b)を上面からみた平面図である。さらに、図19(e)は、図19(d)のI−I’における矢視断面図であり、図19(f)は、図19(d)のJ−J’における矢視断面図である。
(10th manufacturing process)
FIGS. 19A to 19F are views showing a tenth manufacturing process of the
なお、図19(a)(c)は、ソースコンタクト部付近を示し、図19(b)(d)は、ゲートコンタクト部付近を示している。 FIGS. 19A and 19C show the vicinity of the source contact portion, and FIGS. 19B and 19D show the vicinity of the gate contact portion.
第10の製造工程において、まず、図19(a)〜(f)に示すように、素子分離層6、シリコン酸化膜層13、ソースコンタクト層14a、14b、ゲートコンタクト層14c上に、層間絶縁層16を、例えばその層厚が300nm〜1000nmになるように形成する。その後、図19(c)〜(f)に示すように、ソース電極17aのコンタクト領域17a1およびゲート電極17bのコンタクト領域17b1を、層間絶縁層16上にパターン化する。パターン化した層間絶縁層16上に、金属薄膜として例えばAl−Si膜を、スパッタリング法を用いて堆積する。堆積した金属薄膜を、エッチングすることによってソース電極17aおよびゲート電極17bを形成する。
In the tenth manufacturing process, first, as shown in FIGS. 19A to 19F, interlayer insulation is formed on the
この結果、図19(a)に示すように、ソース電極17aとソースコンタクト層14aとは接点17a’において接している。また、ソース電極17aとソースコンタクト層14bとは別の断面(図示せず)において接している。さらに、図19(b)に示すように、ゲート電極17bとゲートコンタクト層14cとは接点17b’において接している。なお、図19(c)(d)に示す接点17a’、17b’は、説明の便宜上破線で示したに過ぎず、本実施形態において、MOSトランジスタ1の上面からこれらの接点17a’、17b’をみることはできない。
As a result, as shown in FIG. 19A, the
最後に、単結晶シリコン基板2の裏面(エピタキシャル層3が形成されていない面)にドレイン電極18を形成する。
Finally, the
以上のように、本発明に係るMOSトランジスタ1を製造する。上述した本発明のMOSトランジスタ1は、従来の加工装置および加工技術を用いて製造しても、そのセルピッチを、例えば従来の50%程度にまで縮小することが可能である。その理由を以下に示す。
As described above, the
デザインルール0.5μmの世代において、トレンチ構造を有するMOSトランジスタのセルピッチは約3μmであることが一般的である。このとき、トレンチの幅は約0.8μm〜1μm、隣り合うトレンチ同士の間隔は約2μmである。 In the generation of a design rule of 0.5 μm, the cell pitch of a MOS transistor having a trench structure is generally about 3 μm. At this time, the width of the trench is about 0.8 μm to 1 μm, and the interval between adjacent trenches is about 2 μm.
一方で本発明に係るMOSトランジスタ1は、ゲートコンタクト層14cの形成領域による制限されることがないため、トレンチ10の幅をデザインルールの最小値まで縮小することが可能である。このため、MOSトランジスタ1の製造後に、シリコン酸化によってトレンチ10の幅が拡がることを考慮しても、トレンチ10の幅を約0.7μmに縮小することができる。
On the other hand, since the
また、本発明のMOSトランジスタ1においては、ソースコンタクト層14a、14bの形成領域をトレンチ10の長手方向に確保している。このため、ソースコンタクト層14a、14bの形成領域による制限されることなく、隣り合うトレンチ10同士の間隔を縮小することができる。
Further, in the
さらに、一つの多結晶シリコン膜をエッチングすることによって、ソースコンタクト層14a、14bおよびゲートコンタクト層14cを同時に形成している。これにより、ソースコンタクト部およびゲートコンタクト部を容易に形成することができる。
Further, the source contact layers 14a and 14b and the
なお、例えば図3に示すように、本発明に係るMOSトランジスタ1において、トレンチ10上に形成したシリコン酸化膜層13は、その両端がトレンチ10から約0.2μm外側に突き出している。さらに、ソース拡散領域に直接ソース電極をコンタクトさせる従来のMOSトランジスタと同等の電流値となるように本発明に係るMOSトランジスタ1を構成した場合、隣り合うトレンチ10同士の間において、ソースコンタクト層14aとソース拡散層15aとが接する領域の幅(図1の矢印Y方向の長さ)は約0.5μmである。このように、隣り合うトレンチ同士の間隔は約0.9μmである。MOSトランジスタ1のセルピッチは、トレンチ10の幅および隣り合うトレンチ同士の間隔の和により表され、本発明に係るMOSトランジスタ1のセルピッチは、約1.6μmである。
For example, as shown in FIG. 3, in the
このように、本発明に係るMOSトランジスタ1およびその製造方法によれば、従来のMOSトランジスタ(セルピッチ約3μm)に比して、そのセルピッチを約50%縮小することが可能である。
Thus, according to the
なお、本実施形態において、MOSトランジスタ1はPチャネル型であるが、Nチャネル型の構成であっても同様の効果を奏する。
In the present embodiment, the
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the claims. That is, embodiments obtained by combining technical means appropriately changed within the scope of the claims are also included in the technical scope of the present invention.
(他の構成)
なお本発明を、以下のように表現することも可能である。
(Other configurations)
The present invention can also be expressed as follows.
(第1の構成)
単結晶シリコン基板上にエピタキシャル層を形成する工程と、
第1のシリコン酸化膜と第1のシリコン窒化膜を形成して、公知のフォトエッチング技術を用いて、第1のシリコン窒化膜をエッチングして、素子分離領域を形成する工程と
エピタキシャル層の表面に不純物イオン注入、拡散を行い、ウェル拡散層を形成する工程と、
第2のシリコン窒化膜、CVD酸化膜をマスクにしてトレンチを形成する工程と、
トレンチの内壁面にゲート酸化膜を形成する工程と、
トレンチの内部を多結晶シリコン膜で埋め込む工程と、シリコン酸化膜で前記多結晶シリコン膜の表面を覆う工程と、
第2の多結晶シリコン膜を形成して、高濃度の不純物イオン注入、拡散を行う工程と、
層間絶縁膜及びメタル配線を形成する工程を含む半導体装置の製造方法。
(First configuration)
Forming an epitaxial layer on the single crystal silicon substrate;
Forming a first silicon oxide film and a first silicon nitride film, etching the first silicon nitride film using a known photoetching technique, and forming an element isolation region; and a surface of the epitaxial layer Performing impurity ion implantation and diffusion to form a well diffusion layer;
Forming a trench using the second silicon nitride film and the CVD oxide film as a mask;
Forming a gate oxide film on the inner wall surface of the trench;
A step of filling the inside of the trench with a polycrystalline silicon film, a step of covering the surface of the polycrystalline silicon film with a silicon oxide film,
Forming a second polycrystalline silicon film and performing high-concentration impurity ion implantation and diffusion;
A method of manufacturing a semiconductor device including a step of forming an interlayer insulating film and a metal wiring.
(第2の構成)
前記単結晶シリコン基板に含まれる不純物は、N型またはP型である第1の構成に記載の半導体装置の製造方法。
(Second configuration)
The method for manufacturing a semiconductor device according to the first structure, wherein the impurity contained in the single crystal silicon substrate is N-type or P-type.
(第3の構成)
前記エピタキシャル層はN型またはP型である第1の構成に記載の半導体装置の製造方法。
(Third configuration)
The method for manufacturing a semiconductor device according to the first configuration, wherein the epitaxial layer is N-type or P-type.
(第4の構成)
前記ウェル拡散層はN型またはP型である第1の構成に記載の半導体装置の製造方法。
(Fourth configuration)
The method for manufacturing a semiconductor device according to the first configuration, wherein the well diffusion layer is N-type or P-type.
(第5の構成)
前記トレンチの内部に埋め込む多結晶シリコン膜は、N型またはP型である第1の構成に記載の半導体装置の製造方法。
(Fifth configuration)
The method of manufacturing a semiconductor device according to the first configuration, wherein the polycrystalline silicon film embedded in the trench is N-type or P-type.
(第6の構成)
前記トレンチ部の両端あるいは片端等、その一部は、前記の第2のシリコン酸化膜領域にかかる第1の構成に記載の半導体装置の製造方法。
(Sixth configuration)
The semiconductor device manufacturing method according to the first configuration, wherein a part of the trench portion, such as both ends or one end, is applied to the second silicon oxide film region.
(第7の構成)
トレンチ内壁面の上部のゲート酸化膜に接する高濃度の不純物層は、トランジスタのソース領域及び、ウェル拡散層の電位を制御する拡散領域として機能する第1の構成に記載の半導体装置の製造方法。
(Seventh configuration)
The semiconductor device manufacturing method according to the first configuration, wherein the high-concentration impurity layer in contact with the gate oxide film on the upper wall surface of the trench functions as a source region of the transistor and a diffusion region for controlling a potential of the well diffusion layer.
(第8の構成)
シリコン基板上の第1のシリコン酸化膜と、トレンチ上の絶縁膜(第4のシリコン酸化膜)を選択的にエッチングした後、第2の多結晶シリコン膜が形成され、ソース部とゲート電極の引き出しが同時になされる第1の構成に記載の半導体装置の製造方法。
(Eighth configuration)
After selectively etching the first silicon oxide film on the silicon substrate and the insulating film (fourth silicon oxide film) on the trench, a second polycrystalline silicon film is formed, and the source and gate electrodes are formed. The method for manufacturing a semiconductor device according to the first configuration, wherein the drawing is performed simultaneously.
(第9の構成)
第2の多結晶シリコン膜が選択的にエッチングされ、ゲート電極に接触する第2の多結晶シリコンの一部がフィールド酸化膜上に形成され、ゲートコンタクト領域をなす第1の構成に記載の半導体装置の製造方法。
(Ninth configuration)
The semiconductor according to the first configuration, wherein the second polycrystalline silicon film is selectively etched, a part of the second polycrystalline silicon contacting the gate electrode is formed on the field oxide film, and forms a gate contact region Device manufacturing method.
本発明は、半導体装置の及びその製造方法に関し、特に大電流を流す事ができる電源装置への応用に適したトレンチ構造を有するMOSトランジスタ及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a MOS transistor having a trench structure suitable for application to a power supply device capable of flowing a large current and a manufacturing method thereof.
1 MOSトランジスタ(半導体装置)
2 単結晶シリコン基板(半導体基板)
3 エピタキシャル層
6 素子分離層
7 ウェル拡散層
10 トレンチ(溝)
11 ゲート絶縁層
12 ゲート層
13 シリコン酸化膜層(第1の絶縁層)
14a、14b ソースコンタクト層
14c ゲートコンタクト層
15a ソース拡散層(第1の導電層)
15b ウェルコンタクト層(第2の導電層)
16 層間絶縁層(第2の絶縁層)
17a ソース電極(第1の金属層)
17b ゲート電極(第2の金属層)
19 半導体層
1 MOS transistor (semiconductor device)
2 Single crystal silicon substrate (semiconductor substrate)
3
11
14a, 14b
15b Well contact layer (second conductive layer)
16 Interlayer insulation layer (second insulation layer)
17a Source electrode (first metal layer)
17b Gate electrode (second metal layer)
19 Semiconductor layer
Claims (13)
前記溝の内壁面を被覆するゲート絶縁層と、
前記溝に埋め込まれ、ゲート電極に接続されるゲート層と、
前記溝の開口部を被覆するように形成された第1の絶縁層と、
前記溝の両側に、前記溝に接するように形成された第1の導電型の第1の導電層と、
前記溝の両側に、前記溝に接するように形成された第2の導電型の第2の導電層と、
前記溝、前記第1の導電層および前記第2の導電層上を被覆するように形成され、ソース電極に接続されるソースコンタクト層とを備え、
前記第1の導電層と第2の導電層とは、前記溝の長手方向に隣接していることを特徴とする半導体装置。 A groove formed in a semiconductor layer formed on a semiconductor substrate;
A gate insulating layer covering an inner wall surface of the groove;
A gate layer embedded in the trench and connected to the gate electrode;
A first insulating layer formed to cover the opening of the groove;
A first conductive layer of a first conductivity type formed on both sides of the groove so as to be in contact with the groove;
A second conductive layer of a second conductivity type formed on both sides of the groove so as to be in contact with the groove;
A source contact layer formed so as to cover the groove, the first conductive layer, and the second conductive layer, and connected to a source electrode;
The semiconductor device, wherein the first conductive layer and the second conductive layer are adjacent to each other in the longitudinal direction of the groove.
前記第2の絶縁層に形成された第1のコンタクト領域においてソースコンタクト層と接続する第1の金属層と、
前記第2の絶縁層に形成された第2のコンタクト領域においてゲートコンタクト層と接続する第2の金属層とをさらに備えていることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。 A second insulating layer formed on the source contact layer and the gate contact layer;
A first metal layer connected to a source contact layer in a first contact region formed in the second insulating layer;
3. The semiconductor device according to claim 1, further comprising: a second metal layer connected to the gate contact layer in the second contact region formed in the second insulating layer.
前記溝の内壁面をゲート絶縁層で被覆する工程と、
前記溝にゲート電極に接続されるゲート層を埋め込む工程と、
前記溝の開口部を被覆するように第1の絶縁層を形成する工程と、
半導体層上に、前記溝を覆うようにソースコンタクト層を形成する工程と、
前記ソースコンタクト層に覆われた半導体層に、前記溝の両側に接するように第1の導電型の第1の導電層および第2の導電型の第2の導電層を形成する工程とを有し、
前記第1の導電層および前記第2の導電層を形成する工程では、前記第1の導電層と前記第2の導電層とを、前記溝の長手方向に隣接するように形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a groove in a semiconductor layer formed on the semiconductor substrate;
Coating the inner wall surface of the groove with a gate insulating layer;
Embedding a gate layer connected to a gate electrode in the trench;
Forming a first insulating layer so as to cover the opening of the groove;
Forming a source contact layer on the semiconductor layer so as to cover the groove;
Forming a first conductive type first conductive layer and a second conductive type second conductive layer on the semiconductor layer covered with the source contact layer so as to be in contact with both sides of the groove. And
In the step of forming the first conductive layer and the second conductive layer, the first conductive layer and the second conductive layer are formed so as to be adjacent to each other in the longitudinal direction of the groove. A method for manufacturing a semiconductor device.
前記露出したゲート層上および前記半導体層上に形成された素子分離層上にゲートコンタクト層を形成する工程とをさらに有することを特徴とする請求項11に記載の半導体装置の製造方法。 Etching the first insulating layer formed in the opening of the trench to expose a portion of the gate layer;
12. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11, further comprising a step of forming a gate contact layer on the exposed gate layer and an element isolation layer formed on the semiconductor layer.
半導体層上に多結晶シリコン層を形成し、当該多結晶シリコン層を選択的にエッチングすることによって前記ソースコンタクト層および前記ゲートコンタクト層を同時に形成することを特徴とする請求項12に記載の半導体装置の製造方法。 The step of forming the source contact layer and the gate contact layer includes:
13. The semiconductor according to claim 12, wherein a polycrystalline silicon layer is formed on the semiconductor layer, and the source contact layer and the gate contact layer are simultaneously formed by selectively etching the polycrystalline silicon layer. Device manufacturing method.
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