JP2010238725A - Semiconductor device and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device suppressing local thinning of a gate insulating film in a trench gate structure and to provide a method for manufacturing the semiconductor device. <P>SOLUTION: The semiconductor device includes first conduction type semiconductor layers 1 and 2, a second conduction type base layer 3 arranged on a first main face of the semiconductor layer 2, a first conduction type source region 4 which is selectively disposed on a surface layer part of the base layer 3, a first main electrode 11 installed on a surface of the source region 4, a second main electrode 12 arranged on a second main face of the semiconductor layer 1, a gate insulating film 5 disposed on a base and a side of a trench T formed from the surface of the source region 4 to depth of the semiconductor layer 2 through the base layer 3 and a gate electrode 6 installed inside the gate insulating film 5 in the trench T. The base and the side of the trench T have the same plane orientation and the curvature radius of the base is not less than 100 nm. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.

トレンチゲート構造を有する縦型MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)などのデバイスにおいては、トレンチの側面及び底面に形成されるゲート酸化膜の膜厚を均一にすることが重要である。特にトレンチ底面に局所的に酸化膜が薄い部分が存在すると耐圧低下の原因となる。   In a device such as a vertical MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) having a trench gate structure, it is important to make the thickness of the gate oxide film formed on the side and bottom surfaces of the trench uniform. In particular, when a portion having a thin oxide film locally exists on the bottom surface of the trench, the breakdown voltage is lowered.

例えば、特許文献1には、トレンチの側面及び底面の面方位を同じにすることで、側面及び底面での酸化膜の成長速度を同じにして膜厚を均一にする技術が提案されている。この場合、トレンチの側面及び底面の面方位はウェーハ主面の面方位と同じにされる。したがって、トレンチ底面には、ウェーハ主面に対して傾斜した面が現れないようにすることが重要である。   For example, Patent Document 1 proposes a technique for making the film thickness uniform by making the growth direction of the oxide film on the side surface and the bottom surface the same by making the surface orientations of the side surface and the bottom surface of the trench the same. In this case, the surface orientations of the side surface and the bottom surface of the trench are made the same as the surface orientation of the wafer main surface. Therefore, it is important that a surface inclined with respect to the main surface of the wafer does not appear on the bottom surface of the trench.

特許第3490857号公報Japanese Patent No. 3490857

本発明は、トレンチゲート構造におけるゲート絶縁膜の局所的な薄膜化を抑制する半導体装置及びその製造方法を提供する。   The present invention provides a semiconductor device that suppresses local thinning of a gate insulating film in a trench gate structure and a manufacturing method thereof.

本発明の一態様によれば、第1の主面と前記第1の主面の反対側に形成された第2の主面とを有する第1導電型の半導体層と、前記半導体層の前記第1の主面側に設けられた第2導電型のベース層と、前記ベース層の表層部に選択的に設けられた第1導電型のソース領域と、前記ソース領域の表面上に設けられた第1の主電極と、前記半導体層の前記第2の主面に設けられた第2の主電極と、前記ソース領域の表面から前記ベース層を貫通して前記半導体層に至る深さまで形成されたトレンチの底面及び側面に設けられたゲート絶縁膜と、前記トレンチ内における前記ゲート絶縁膜の内側に設けられたゲート電極と、を備え、前記トレンチの前記底面及び前記側面は同じ面方位であり、前記底面の曲率半径は100nm以上であることを特徴とする半導体装置が提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、半導体層に、底面と側面の面方位が同じであり、前記底面の曲率半径が100nm以上であるトレンチを形成する工程と、前記トレンチの前記底面及び前記側面にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記トレンチ内における前記ゲート絶縁膜の内側にゲート電極を形成する工程と、を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
According to one aspect of the present invention, a first conductivity type semiconductor layer having a first main surface and a second main surface formed on the opposite side of the first main surface; A second conductivity type base layer provided on the first main surface side, a first conductivity type source region selectively provided on a surface layer portion of the base layer, and a surface of the source region. The first main electrode, the second main electrode provided on the second main surface of the semiconductor layer, and the depth from the surface of the source region to the semiconductor layer through the base layer A gate insulating film provided on the bottom and side surfaces of the trench, and a gate electrode provided inside the gate insulating film in the trench, wherein the bottom surface and the side surface of the trench have the same plane orientation. The curvature radius of the bottom surface is 100 nm or more A semiconductor device is provided.
According to another aspect of the present invention, a step of forming, in the semiconductor layer, a trench having the same bottom and side surface orientation and a curvature radius of the bottom surface of 100 nm or more, and the bottom surface of the trench. And a step of forming a gate insulating film on the side surface, and a step of forming a gate electrode inside the gate insulating film in the trench.

本発明によれば、トレンチゲート構造におけるゲート絶縁膜の局所的な薄膜化を抑制する半導体装置及びその製造方法が提供される。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the semiconductor device which suppresses local thinning of the gate insulating film in a trench gate structure, and its manufacturing method are provided.

本発明の実施形態に係る半導体装置の要部の模式断面図。1 is a schematic cross-sectional view of a main part of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. 本実施形態に係る半導体装置が形成される半導体ウェーハの模式平面図。1 is a schematic plan view of a semiconductor wafer on which a semiconductor device according to an embodiment is formed. 本実施形態に係る半導体装置におけるトレンチゲート構造の形成方法を示す模式断面図。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a method for forming a trench gate structure in the semiconductor device according to the embodiment. 比較例におけるトレンチ底面にて酸化膜が局所的に薄くなった状態の模式断面図。The schematic cross section of the state where the oxide film became thin locally at the trench bottom in a comparative example.

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。以下の実施形態では第1導電型をn型、第2導電型をp型として説明するが、第1導電型をp型、第2導電型をn型としても本発明は適用可能である。また、半導体としてはシリコンを例示するが、シリコン以外の半導体(例えばSiC、GaN等の化合物半導体)を用いてもよい。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the first conductivity type will be described as n-type and the second conductivity type will be described as p-type. However, the present invention can also be applied when the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type. Further, although silicon is exemplified as the semiconductor, a semiconductor other than silicon (for example, a compound semiconductor such as SiC or GaN) may be used.

本実施形態に係る半導体装置は、半導体層における第1の主面側に設けられた第1の主電極と、上記第1の主面の反対側の第2の主面側に設けられた第2の主電極との間を結ぶ縦方向に主電流が流れる縦型デバイスであり、その主電流が流れるセル領域と、セル領域を囲むようにセル領域の外側に形成された終端領域とを有する。   The semiconductor device according to the present embodiment includes a first main electrode provided on the first main surface side in the semiconductor layer, and a second main surface side provided on the opposite side of the first main surface. 2 is a vertical device in which a main current flows in a vertical direction connecting between the two main electrodes, and includes a cell region in which the main current flows and a termination region formed outside the cell region so as to surround the cell region. .

また、本実施形態では、セル領域におけるトレンチゲート型の素子構造として、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)を例示するが、これに限らず、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)などであってもよい。   In the present embodiment, a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) is exemplified as the trench gate type element structure in the cell region. Enhanced Gate Transistor) may be used.

図1(a)は本実施形態に係る半導体装置のセル領域における一部の模式断面図を示し、図1(b)はトレンチT底部の拡大模式断面図を示す。   FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of a part of the cell region of the semiconductor device according to the present embodiment, and FIG. 1B is an enlarged schematic cross-sectional view of the bottom of the trench T.

型のドレイン層(もしくは基板)1における第1の主面上に、n型のドリフト層2が設けられている。ドリフト層2上には、p型のベース層3が設けられている。ベース層3の表層部には、n型のソース領域4とp型のベースコンタクト領域7が選択的に設けられている。 An n type drift layer 2 is provided on the first main surface of the n + type drain layer (or substrate) 1. A p-type base layer 3 is provided on the drift layer 2. An n + -type source region 4 and a p + -type base contact region 7 are selectively provided in the surface layer portion of the base layer 3.

ソース領域4の表面上には第1の主電極11が設けられ、ソース領域4は第1の主電極11と電気的に接続されている。また、ソース領域4の表面からベースコンタクト領域7に達してコンタクト用トレンチが形成され、そのコンタクト用トレンチ内に第1の主電極11が埋め込まれ、第1の主電極11はベースコンタクト領域7と接している。したがって、ベースコンタクト領域7は第1の主電極11と電気的に接続され、ベース層3にはベースコンタクト領域7を介して第1の主電極11の電位が与えられる。ドレイン層1の裏面(第2の主面)には第2の主電極12が設けられ、ドレイン層1は第2の主電極12と電気的に接続されている。   A first main electrode 11 is provided on the surface of the source region 4, and the source region 4 is electrically connected to the first main electrode 11. Further, a contact trench is formed from the surface of the source region 4 to the base contact region 7, and the first main electrode 11 is embedded in the contact trench, and the first main electrode 11 is connected to the base contact region 7. It touches. Accordingly, the base contact region 7 is electrically connected to the first main electrode 11, and the potential of the first main electrode 11 is applied to the base layer 3 through the base contact region 7. A second main electrode 12 is provided on the back surface (second main surface) of the drain layer 1, and the drain layer 1 is electrically connected to the second main electrode 12.

ソース領域4の表面からベース層3を貫通してドリフト層2に至る深さまで複数のトレンチTが形成されている。トレンチTは、図1(a)において紙面を貫く方向に延在するストライプ状の平面パターンで形成されている。そのトレンチTにおける底面Tbおよびストライプ状の延在方向に対して直交する方向の側面Tsには、ゲート絶縁膜5が形成されている。   A plurality of trenches T are formed from the surface of the source region 4 to the depth reaching the drift layer 2 through the base layer 3. The trench T is formed in a striped planar pattern extending in a direction penetrating the paper surface in FIG. A gate insulating film 5 is formed on the bottom surface Tb of the trench T and the side surface Ts in a direction orthogonal to the stripe extending direction.

トレンチT内におけるゲート絶縁膜5の内側にはゲート電極6が埋め込まれている。ゲート電極6上には絶縁層8が設けられ、この絶縁層8によってゲート電極6と第1の主電極11とが絶縁されている。ゲート電極6の一部は上方に引き出されて図示しないゲート配線と接続されている。ゲート絶縁膜5、絶縁層8は例えばシリコン酸化物からなり、ゲート電極6は例えば多結晶シリコンからなる。   A gate electrode 6 is embedded inside the gate insulating film 5 in the trench T. An insulating layer 8 is provided on the gate electrode 6, and the gate electrode 6 and the first main electrode 11 are insulated by the insulating layer 8. A part of the gate electrode 6 is drawn upward and connected to a gate wiring (not shown). The gate insulating film 5 and the insulating layer 8 are made of, for example, silicon oxide, and the gate electrode 6 is made of, for example, polycrystalline silicon.

トレンチT内にゲート絶縁膜5を介してゲート電極6を設けて構成されるトレンチゲート構造は、ソース領域4及びベース層3に隣接する部分に設けられ、ゲート電極6はトレンチTと同様に図1(a)において紙面を貫く方向に延在しつつ、ゲート絶縁膜5を介してベース層3に対向している。ソース領域4も同様に図1(a)において紙面を貫く方向に延在するストライプ状の平面パターンで形成されている。   The trench gate structure configured by providing the gate electrode 6 in the trench T through the gate insulating film 5 is provided in a portion adjacent to the source region 4 and the base layer 3, and the gate electrode 6 is similar to the trench T in FIG. In FIG. 1A, the base layer 3 is opposed to the gate insulating film 5 while extending in a direction penetrating the paper surface. Similarly, the source region 4 is also formed in a striped planar pattern extending in a direction penetrating the paper surface in FIG.

第1の主電極11に対して第2の主電極12が高電位とされた状態で、ゲート電極6に、ゲート駆動回路からゲート配線(いずれも図示せず)を介して所望の制御電圧を印加すると、ベース層3におけるゲート電極6に対向する部分にnチャネル(反転層)が形成され、ドレイン層1、ドリフト層2、nチャネルおよびソース領域4を介して、主電極12、11間の縦方向に主電流が流れオン状態となる。   In a state where the second main electrode 12 is at a higher potential than the first main electrode 11, a desired control voltage is applied to the gate electrode 6 from the gate drive circuit via the gate wiring (both not shown). When applied, an n channel (inversion layer) is formed in the portion of the base layer 3 facing the gate electrode 6, and the main electrode 12, 11 is interposed via the drain layer 1, drift layer 2, n channel and source region 4. The main current flows in the vertical direction and the device is turned on.

また、本実施形態においては、トレンチTの底面Tb及び側面Tsは同じ面方位の結晶面となっている。例えば、トレンチTの底面Tb及び側面Tsの面方位は、ドレイン層(もしくは基板)1の主面の面方位と同じ(100)である。   In the present embodiment, the bottom surface Tb and the side surface Ts of the trench T are crystal planes having the same plane orientation. For example, the surface orientation of the bottom surface Tb and the side surface Ts of the trench T is the same as the surface orientation of the main surface of the drain layer (or substrate) 1 (100).

さらに、トレンチTの底面Tbに、なるべく(100)面以外の面が現れないように、すなわちドレイン層1の主面に対して傾斜しその主面とは異なる面方位の面が現れるのを抑制するべく、トレンチTの底面Tbの曲率半径が100nm以上となるようにしている。あるいは、以下に定義されるラウンド係数b/aが、0<b/a≦0.06となるようにしている。   Further, it is possible to prevent the surface other than the (100) plane from appearing on the bottom surface Tb of the trench T as much as possible, that is, to prevent the surface inclined to the main surface of the drain layer 1 and having a plane orientation different from that main surface. Therefore, the curvature radius of the bottom surface Tb of the trench T is set to be 100 nm or more. Alternatively, the round coefficient b / a defined below is set to satisfy 0 <b / a ≦ 0.06.

ここで、aは、図1(b)に示すように、トレンチTの幅(ストライプ状の延在方向に対して直交する方向の幅)である。そして、その幅aの1/2の位置で底面Tbに接する直線(2点鎖線)をAとすると、トレンチTの側面Tsからa/4の位置における直線Aから底面Tbまでの距離がbである。   Here, as shown in FIG. 1B, a is the width of the trench T (the width in the direction orthogonal to the stripe-shaped extending direction). If a straight line (two-dot chain line) in contact with the bottom surface Tb at a position of 1/2 of the width a is A, the distance from the straight line A to the bottom surface Tb at the position a / 4 from the side surface Ts of the trench T is b. is there.

トレンチT底面の曲率半径が100nmより小さい、あるいは上記ラウンド係数b/aが0.06より大きいと、図4(a)、(b)に示すように、トレンチT底面の一部に面方位(110)の面が現われてしまう。この(110)面における酸化膜の成長速度は、トレンチTの側面、および底面における幅方向の中心付近の面方位である(100)面での酸化膜の成長速度よりも速いので、図4(a)、(b)に示すように、底面の中心を挟むように存在する(110)面から酸化膜が局所的に盛り上がるように成長し、それら(110)面の間の底面中心付近に局所的に酸化膜が薄い部分が生じてしまう。この底面における酸化膜の局所的な薄膜化は耐圧低下の原因となり得る。   When the curvature radius of the bottom surface of the trench T is smaller than 100 nm, or the round coefficient b / a is larger than 0.06, as shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b), a plane orientation ( 110) appears. The growth rate of the oxide film on the (110) plane is faster than the growth rate of the oxide film on the (100) plane, which is the plane orientation near the center in the width direction on the side surface and the bottom surface of the trench T. As shown in a) and (b), the oxide film grows locally from the (110) plane that exists so as to sandwich the center of the bottom surface, and locally grows near the center of the bottom surface between the (110) surfaces. As a result, a thin oxide film is produced. This local thinning of the oxide film on the bottom surface can cause a decrease in breakdown voltage.

しかし、本実施形態によれば、前述したように、トレンチTの底面Tbの曲率半径が100nm以上となるように、あるいは、ラウンド係数b/aが、0<b/a≦0.06を満たすようにしている。具体的には、後述するトレンチT形成時のエッチング条件を制御することで、前述したようなトレンチTの底面Tbの形状制御を実現している。   However, according to the present embodiment, as described above, the radius of curvature of the bottom surface Tb of the trench T is 100 nm or more, or the round coefficient b / a satisfies 0 <b / a ≦ 0.06. I am doing so. Specifically, the shape control of the bottom surface Tb of the trench T as described above is realized by controlling the etching conditions when forming the trench T described later.

したがって、トレンチTの底面Tbに側面Tsと異なる面方位の面が現れるのを抑制して、側面Tsと底面Tbとの間でのゲート絶縁膜5の成長速度のばらつきを抑制し、側面Tsと底面Tbとでゲート絶縁膜5の膜厚をほぼ同じにすることができる。この結果、トレンチTの底面Tbにおける局所的なゲート絶縁膜5の薄膜化を抑制し、それに起因する耐圧低下を防ぐことができる。   Therefore, it is possible to suppress the appearance of a surface having a plane orientation different from that of the side surface Ts on the bottom surface Tb of the trench T, thereby suppressing variation in the growth rate of the gate insulating film 5 between the side surface Ts and the bottom surface Tb. The film thickness of the gate insulating film 5 can be made substantially the same between the bottom surface Tb. As a result, it is possible to suppress local thinning of the gate insulating film 5 on the bottom surface Tb of the trench T and prevent a decrease in breakdown voltage due to the thinning.

次に、図2、3を参照し、本実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。   Next, with reference to FIGS. 2 and 3, a method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment will be described.

本実施形態に係る半導体装置は、例えば図2(a)に示す、主面の面方位が(100)であり、オリエンテーションフラット面OFの面方位が(100)であるシリコンウェーハWに形成される。   The semiconductor device according to the present embodiment is formed on, for example, a silicon wafer W shown in FIG. 2A where the main surface has a surface orientation of (100) and the orientation flat surface OF has a surface orientation of (100). .

また、図2(a)には、一つのチップにおけるセル領域cを模式的に示し、複数のトレンチTは、オリエンテーションフラット面OFに対して平行な方向に延在するように形成される。   FIG. 2A schematically shows a cell region c in one chip, and the plurality of trenches T are formed to extend in a direction parallel to the orientation flat surface OF.

まず、シリコンウェーハW(ドレイン層1に相当)の主面上に、n型のドリフト層2をエピタキシャル成長法で形成した後、その表層にp型のベース層3を形成する。さらに、ベース層3表面にシリコン酸化膜を形成し、n型不純物である例えば砒素(As)をベース層3の表層に選択的に注入・拡散してソース領域4を形成する。 First, an n type drift layer 2 is formed on a main surface of a silicon wafer W (corresponding to the drain layer 1) by an epitaxial growth method, and then a p type base layer 3 is formed on the surface layer thereof. Further, a silicon oxide film is formed on the surface of the base layer 3, and n-type impurities such as arsenic (As) are selectively implanted and diffused into the surface layer of the base layer 3 to form the source region 4.

次に、図3(a)に示すように、ソース領域4表面上のシリコン酸化膜21を選択的にエッチングして開口21aを形成する。そして、シリコン酸化膜21をマスクにしたRIE(Reactive Ion Etching)を行い、図3(b)に示すように、開口21aの下にソース領域4及びベース層3を貫通しドリフト層2の一部に達するトレンチTを形成する。   Next, as shown in FIG. 3A, the silicon oxide film 21 on the surface of the source region 4 is selectively etched to form an opening 21a. Then, RIE (Reactive Ion Etching) is performed using the silicon oxide film 21 as a mask, and as shown in FIG. 3B, a part of the drift layer 2 penetrates the source region 4 and the base layer 3 under the opening 21a. A trench T reaching to is formed.

このとき、前述したように、トレンチTの延在方向をオリエンテーションフラット面OFに対して平行になるようにすることで、トレンチTの側面Tsがオリエンテーションフラット面OFに対して平行になり、その側面Tsの面方位はオリエンテーションフラット面OFの面方位と同じ(100)になる。トレンチTの底面Tbの面方位はシリコンウェーハW(ドレイン層1)の主面と同じ(100)である。したがって、トレンチTにおける側面Tsと底面Tbとは同じ面方位(100)となる。   At this time, as described above, by making the extending direction of the trench T parallel to the orientation flat surface OF, the side surface Ts of the trench T becomes parallel to the orientation flat surface OF. The plane orientation of Ts is the same as the plane orientation of the orientation flat plane OF (100). The surface orientation of the bottom surface Tb of the trench T is the same (100) as the main surface of the silicon wafer W (drain layer 1). Therefore, the side surface Ts and the bottom surface Tb in the trench T have the same plane orientation (100).

さらに、トレンチTの形成時には、底面Tbの曲率半径が100nm以上となるように、あるいは、ラウンド係数b/aが、0<b/a≦0.06を満たすように、RIEの条件が制御される。   Furthermore, when the trench T is formed, the RIE conditions are controlled so that the curvature radius of the bottom surface Tb is 100 nm or more, or the round coefficient b / a satisfies 0 <b / a ≦ 0.06. The

具体的には、所望のガスによる減圧雰囲気とされた処理室内でシリコンウェーハWはウェーハ支持部に支持される。処理室内にはSFを含むガスが導入される。ウェーハ支持部にはバイアスパワーとして高周波電力が印加され、導入ガスはプラズマ化される。そのプラズマ中の正イオンはウェーハWに向けて加速されてウェーハWに衝突し、図3(a)に示す開口21aの下のソース領域4、ベース層3およびドリフト層2をエッチングし、トレンチTが形成される。 Specifically, the silicon wafer W is supported by the wafer support portion in a processing chamber in a reduced pressure atmosphere with a desired gas. A gas containing SF 6 is introduced into the processing chamber. High frequency power is applied as a bias power to the wafer support, and the introduced gas is turned into plasma. The positive ions in the plasma are accelerated toward the wafer W and collide with the wafer W, and the source region 4, the base layer 3 and the drift layer 2 below the opening 21a shown in FIG. Is formed.

本実施形態では、上記プラズマ化によりSiFの堆積物が生成され、この堆積物(膜)の生成により、SiとFラジカルとの反応(結合)による等方的なエッチングが抑制され、Fイオンのスパッタリングによる異方性エッチングが支配的となる。これにより、トレンチTの底面Tbの曲率半径が小さくなる、もしくは上記ラウンド係数b/aが大きくなることによってウェーハ主面に対して傾斜した面(110)面が底面Tbに現れることを抑制できる。 In the present embodiment, a deposit of SiF 4 is generated by the above-described plasma formation, and generation of this deposit (film) suppresses isotropic etching due to reaction (bonding) between Si and F radicals, and F ions Anisotropic etching by sputtering is dominant. As a result, it is possible to suppress the appearance of the surface (110) inclined with respect to the main surface of the wafer on the bottom surface Tb by decreasing the radius of curvature of the bottom surface Tb of the trench T or increasing the round coefficient b / a.

なお、一般にシリコンのRIEにはエッチングガスとしてHBrガスが用いられるが、本実施形態ではHBrを含まないSFを主としたガスを用いることで、HBrを使った場合に比べて処理室内でのダストの発生を抑えて処理室内の汚染を低減できる。 In general, HBr gas is used as an etching gas for RIE of silicon, but in this embodiment, a gas mainly containing SF 6 that does not contain HBr is used, so that in the processing chamber as compared with the case where HBr is used. Generation of dust can be suppressed and contamination in the processing chamber can be reduced.

例えば以下に示す条件でRIEを行ったところ、前述した所望の曲率半径もしくはラウンド係数を満足するトレンチ底面を得ることができた。RIE装置としてはECR(Electron Cyclotron Resonance)型の装置を用いた。処理室内に、SF、SiF、Oの各ガスをそれぞれ25〜45sccm、20〜40sccm、38〜52sccmの流量で導入し、処理室内雰囲気の圧力は0.3〜1.3Paとした。ウェーハ側へのバイアスパワーは120〜230W、冷陰極温度は−50〜−20℃とした。 For example, when RIE was performed under the following conditions, a trench bottom satisfying the above-described desired radius of curvature or round coefficient could be obtained. As the RIE apparatus, an ECR (Electron Cyclotron Resonance) type apparatus was used. Each gas of SF 6 , SiF 4 , and O 2 was introduced into the processing chamber at a flow rate of 25 to 45 sccm, 20 to 40 sccm, and 38 to 52 sccm, respectively, and the pressure in the processing chamber atmosphere was set to 0.3 to 1.3 Pa. The bias power to the wafer side was 120 to 230 W, and the cold cathode temperature was −50 to −20 ° C.

あるいは、処理室内に、SF、SiF、O、HBr、NFの各ガスをそれぞれ17〜33sccm、50〜90sccm、38〜52sccm、17〜33sccm、0〜10sccmの流量で導入し、処理室内雰囲気の圧力は0.3〜1.5Paとした。ウェーハ側へのバイアスパワーは70〜130W、冷陰極温度は−50〜−20℃とした。 Alternatively, SF 6 , SiF 4 , O 2 , HBr, and NF 3 gases are introduced into the processing chamber at flow rates of 17 to 33 sccm, 50 to 90 sccm, 38 to 52 sccm, 17 to 33 sccm, and 0 to 10 sccm, respectively. The pressure of the room atmosphere was 0.3 to 1.5 Pa. The bias power to the wafer side was 70 to 130 W, and the cold cathode temperature was −50 to −20 ° C.

次に、図3(c)に示すように、シリコン酸化膜21におけるトレンチTに臨む開口縁部を選択的にエッチングして開口幅を拡げてトレンチTの上端コーナー部を露出させた後、CDE(Chemical Dry Etching)を行う。ウェーハW側にはバイアスパワーは印加されない。これにより、トレンチTの上端コーナー部及び底面コーナー部が等方的にエッチングされて角が除去され丸みがつけられる。これにより、トレンチ角部への局所的な電界集中を抑制して、耐圧向上を図れる。また、このCDEにより、先に行われたRIE時のイオン衝撃によるダメージを受けた部分を除去することができ、しきい値などの特性変動、キャリア移動度の低下などを抑制できる。   Next, as shown in FIG. 3C, the opening edge portion of the silicon oxide film 21 facing the trench T is selectively etched to widen the opening width to expose the upper end corner portion of the trench T, and then CDE. (Chemical Dry Etching) is performed. Bias power is not applied to the wafer W side. As a result, the upper corner portion and the bottom corner portion of the trench T are isotropically etched, and the corners are removed and rounded. Thereby, local electric field concentration to the trench corner can be suppressed, and the breakdown voltage can be improved. In addition, this CDE can remove a portion damaged by ion bombardment at the time of RIE performed earlier, and can suppress fluctuations in characteristics such as a threshold and a decrease in carrier mobility.

このCDE時も、トレンチTの底面Tbの曲率半径が100nm以上となるように、あるいは、ラウンド係数b/aが、0<b/a≦0.06を満たすように、CDEの条件(エッチング量、エッチング時間等)が制御される。例えば、処理室内に、CF、Oの各ガスをそれぞれ200〜370sccm、20〜40sccmの流量で導入した。 Also during this CDE, the CDE conditions (etching amount) so that the radius of curvature of the bottom surface Tb of the trench T becomes 100 nm or more, or the round coefficient b / a satisfies 0 <b / a ≦ 0.06. , Etching time, etc.) are controlled. For example, each gas of CF 6 and O 2 was introduced into the processing chamber at a flow rate of 200 to 370 sccm and 20 to 40 sccm, respectively.

次に、シリコンウェーハWの主面側全面を熱酸化して、図3(d)に示すように、トレンチTの底面Tb及び側面Tsにゲート絶縁膜(シリコン酸化膜)5を形成する。このときの酸化膜成長工程において、トレンチTの底面Tbの面方位と側面Tsの面方位は共に(100)であるため、底面Tbと側面Tsでの酸化膜の成長速度は等しくなる、さらに、底面Tbの曲率半径が100nm以上となるように、あるいは、ラウンド係数b/aが、0<b/a≦0.06を満たすように底面Tbの形状が制御されているため、底面Tbに(110)面が現れるのを抑制することができる。   Next, the entire main surface side of the silicon wafer W is thermally oxidized to form a gate insulating film (silicon oxide film) 5 on the bottom surface Tb and the side surface Ts of the trench T as shown in FIG. In the oxide film growth step at this time, since the surface orientation of the bottom surface Tb and the side surface Ts of the trench T are both (100), the growth rate of the oxide film on the bottom surface Tb and the side surface Ts becomes equal. The shape of the bottom surface Tb is controlled so that the radius of curvature of the bottom surface Tb is 100 nm or more, or the round coefficient b / a satisfies 0 <b / a ≦ 0.06. 110) The appearance of the surface can be suppressed.

以上のことから、底面Tbでのゲート絶縁膜5の膜厚と、側面Tsでのゲート絶縁膜5の膜厚とはほぼ等しくなる。特に、トレンチ幅が微細化した場合にも均一な膜厚でゲート絶縁膜5の形成が可能になる。この結果、閾値電圧をゲート絶縁膜5の場所によらず均一にすることができ、さらに、底面Tbでのゲート絶縁膜5の局所的な薄膜化を抑制できるので、それによる耐圧低下を防げる。   From the above, the film thickness of the gate insulating film 5 on the bottom surface Tb is substantially equal to the film thickness of the gate insulating film 5 on the side surface Ts. In particular, even when the trench width is reduced, the gate insulating film 5 can be formed with a uniform film thickness. As a result, the threshold voltage can be made uniform regardless of the location of the gate insulating film 5, and the local thinning of the gate insulating film 5 on the bottom surface Tb can be suppressed, thereby preventing a decrease in breakdown voltage.

例えば40V系パワーMOSFETにおいて、トレンチ底面Tbの曲率半径が90nmのものと120nmのものとで耐圧を比較したところ、曲率半径が120nmのものの方が90nmのものよりも2〜3.5Vほど高い耐圧が得られた。さらにそれら両者について信頼性試験を行った。これは、150℃の環境下で、−20Vから8分おきに2Vずつ印加電圧を上げていき、TDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown)を評価した。この結果、曲率半径が90nmのものはTDDBが1.0×1011時間であり、120nmのものはTDDBが1.3×1013時間であった。すなわち、曲率半径が120nmのものの方が絶縁破壊に至る時間がおよそ10時間ほど長い。トレンチ底面Tbの曲率半径が100nm以上であれば、耐圧及びTDDBにほとんど差はみられなかった。 For example, in a 40V power MOSFET, when the breakdown voltage is compared between a trench bottom surface Tb with a curvature radius of 90 nm and 120 nm, the breakdown voltage of the curvature radius of 120 nm is 2 to 3.5 V higher than that of 90 nm. was gotten. Furthermore, a reliability test was conducted on both of them. In this environment, the applied voltage was increased by 2V every 8 minutes from −20V under an environment of 150 ° C., and TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown) was evaluated. As a result, when the radius of curvature was 90 nm, the TDDB was 1.0 × 10 11 hours, and when the radius was 120 nm, the TDDB was 1.3 × 10 13 hours. That is, the time at which the curvature radius dielectric breakdown is more ones of 120nm is longer approximately 10 2 hours. When the curvature radius of the trench bottom Tb was 100 nm or more, there was almost no difference in the breakdown voltage and TDDB.

ゲート絶縁膜5の形成後、シリコンウェーハWの主面側全面に、例えば多結晶シリコン膜を堆積してその多結晶シリコンでトレンチT内を充填した後に、これをパターニングすることにより、図1(a)に示すゲート電極6が形成される。以降、絶縁層8、第1の主電極11、第2の主電極12等の形成が行われ、図1(a)に示す構造が得られる。   After the formation of the gate insulating film 5, for example, a polycrystalline silicon film is deposited on the entire main surface side of the silicon wafer W, and the trench T is filled with the polycrystalline silicon. A gate electrode 6 shown in a) is formed. Thereafter, the insulating layer 8, the first main electrode 11, the second main electrode 12 and the like are formed, and the structure shown in FIG. 1A is obtained.

なお、前述した実施形態ではソース領域4を形成した後にトレンチゲート構造を形成したが、トレンチゲート構造を形成した後に、ベース層3表層に選択的にn型不純物の注入を行ってソース領域4を形成するようにしてもよい。   In the above-described embodiment, the trench gate structure is formed after the source region 4 is formed. However, after forming the trench gate structure, the source region 4 is formed by selectively implanting n-type impurities into the surface layer of the base layer 3. You may make it form.

また、図2(b)に示すように、主面の面方位が(100)、オリエンテーションフラット面OFの面方位が(110)のシリコンウェーハWを用い、延在方向がオリエンテーションフラット面OFに対して45°となるようにトレンチTを形成することでも、トレンチTの底面Tb及び側面Tsの面方位を共に(100)にすることができる。   Further, as shown in FIG. 2B, a silicon wafer W having a main surface orientation of (100) and an orientation flat surface OF of (110) is used, and the extending direction is relative to the orientation flat surface OF. Even if the trench T is formed to be 45 °, both the surface orientations of the bottom surface Tb and the side surface Ts of the trench T can be (100).

また、トレンチゲート構造やこれに隣接するソース領域の平面パターンは、ストライプ状に限らず、格子状、千鳥状、六角形状などに形成してもよい。   The planar pattern of the trench gate structure and the source region adjacent to the trench gate structure is not limited to a stripe shape, and may be formed in a lattice shape, a staggered shape, a hexagonal shape, or the like.

1…ドレイン層、2…ドリフト層、3…ベース層、4…ソース領域、6…ゲート電極、7…ベースコンタクト領域、11…第1の主電極、12…第2の主電極、T…トレンチ   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Drain layer, 2 ... Drift layer, 3 ... Base layer, 4 ... Source region, 6 ... Gate electrode, 7 ... Base contact region, 11 ... 1st main electrode, 12 ... 2nd main electrode, T ... Trench

Claims (5)

第1の主面と前記第1の主面の反対側に形成された第2の主面とを有する第1導電型の半導体層と、
前記半導体層の前記第1の主面側に設けられた第2導電型のベース層と、
前記ベース層の表層部に選択的に設けられた第1導電型のソース領域と、
前記ソース領域の表面上に設けられた第1の主電極と、
前記半導体層の前記第2の主面に設けられた第2の主電極と、
前記ソース領域の表面から前記ベース層を貫通して前記半導体層に至る深さまで形成されたトレンチの底面及び側面に設けられたゲート絶縁膜と、
前記トレンチ内における前記ゲート絶縁膜の内側に設けられたゲート電極と、
を備え、
前記トレンチの前記底面及び前記側面は同じ面方位であり、前記底面の曲率半径は100nm以上であることを特徴とする半導体装置。
A first conductivity type semiconductor layer having a first main surface and a second main surface formed on the opposite side of the first main surface;
A second conductivity type base layer provided on the first main surface side of the semiconductor layer;
A source region of a first conductivity type selectively provided in a surface layer portion of the base layer;
A first main electrode provided on a surface of the source region;
A second main electrode provided on the second main surface of the semiconductor layer;
A gate insulating film provided on a bottom surface and a side surface of a trench formed from the surface of the source region to a depth reaching the semiconductor layer through the base layer;
A gate electrode provided inside the gate insulating film in the trench;
With
The bottom surface and the side surface of the trench have the same plane orientation, and the curvature radius of the bottom surface is 100 nm or more.
前記トレンチの前記底面及び前記側面の面方位が(100)であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein a surface orientation of the bottom surface and the side surface of the trench is (100). 半導体層に、底面と側面の面方位が同じであり、前記底面の曲率半径が100nm以上であるトレンチを形成する工程と、
前記トレンチの前記底面及び前記側面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記トレンチ内における前記ゲート絶縁膜の内側にゲート電極を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming in the semiconductor layer a trench having the same surface orientation of the bottom surface and the side surface, and a curvature radius of the bottom surface of 100 nm or more;
Forming a gate insulating film on the bottom and side surfaces of the trench;
Forming a gate electrode inside the gate insulating film in the trench;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記半導体層を形成した半導体ウェーハ側にバイアスパワーを印加した状態でSFを含む原料ガスを用いたドライエッチングで前記トレンチを形成することを特徴とする請求項3記載の半導体装置の製造方法。 The method according to claim 3, wherein the forming the trench by dry etching using a raw material gas containing SF 6 while applying a bias power to the semiconductor wafer side formed with the semiconductor layer. 主面の面方位が(100)であるシリコンウェーハの前記主面上にシリコン層である前記半導体層を形成し、
前記半導体層に形成される前記トレンチの側面に(100)面が露出するように、前記シリコンウェーハのオリエンテーションフラット面に対する前記トレンチの延在方向を設定することを特徴とする請求項3または4に記載の半導体装置の製造方法。
Forming the semiconductor layer, which is a silicon layer, on the main surface of the silicon wafer having a main surface orientation of (100);
5. The extending direction of the trench with respect to the orientation flat surface of the silicon wafer is set so that a (100) plane is exposed on a side surface of the trench formed in the semiconductor layer. The manufacturing method of the semiconductor device of description.
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102694010A (en) * 2011-03-22 2012-09-26 株式会社东芝 Semiconductor device
JP2014044975A (en) * 2012-08-24 2014-03-13 Panasonic Corp METHOD FOR ETCHING SiC SUBSTRATE
JP2015099820A (en) * 2013-11-18 2015-05-28 パナソニックIpマネジメント株式会社 Method for etching silicon carbide substrate
JP2015156429A (en) * 2014-02-20 2015-08-27 住友電気工業株式会社 Silicon carbide semiconductor device and manufacturing method of the same
JP2016119484A (en) * 2013-09-05 2016-06-30 Sppテクノロジーズ株式会社 Plasma etching method
JP2017174939A (en) * 2016-03-23 2017-09-28 Sppテクノロジーズ株式会社 Manufacturing method for silicon carbide semiconductor element
US9793376B2 (en) 2012-08-07 2017-10-17 Denso Corporation Silicon carbide semiconductor device and method of manufacturing the same
JP2021044314A (en) * 2019-09-09 2021-03-18 株式会社東芝 Manufacturing method of semiconductor device

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102694010A (en) * 2011-03-22 2012-09-26 株式会社东芝 Semiconductor device
US9793376B2 (en) 2012-08-07 2017-10-17 Denso Corporation Silicon carbide semiconductor device and method of manufacturing the same
JP2014044975A (en) * 2012-08-24 2014-03-13 Panasonic Corp METHOD FOR ETCHING SiC SUBSTRATE
JP2016119484A (en) * 2013-09-05 2016-06-30 Sppテクノロジーズ株式会社 Plasma etching method
JP2018006773A (en) * 2013-09-05 2018-01-11 Sppテクノロジーズ株式会社 Plasma etching method
JP2015099820A (en) * 2013-11-18 2015-05-28 パナソニックIpマネジメント株式会社 Method for etching silicon carbide substrate
JP2015156429A (en) * 2014-02-20 2015-08-27 住友電気工業株式会社 Silicon carbide semiconductor device and manufacturing method of the same
JP2017174939A (en) * 2016-03-23 2017-09-28 Sppテクノロジーズ株式会社 Manufacturing method for silicon carbide semiconductor element
JP2021044314A (en) * 2019-09-09 2021-03-18 株式会社東芝 Manufacturing method of semiconductor device
JP7157719B2 (en) 2019-09-09 2022-10-20 株式会社東芝 Semiconductor device manufacturing method

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