JP2011129667A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】オフセット構成となる場合があった。
【解決手段】第1導電型のドレイン領域と、前記ドレイン領域上に形成された第2導電型のボディ領域と、前記ボディ領域を貫通し、底面部分が前記ドレイン領域に達するトレンチと、前記トレンチに埋設されたゲート電極と、前記ゲート電極と、前記トレンチの側面及び底面とを絶縁する絶縁部と、を有し、前記ボディ領域は、前記トレンチ側面に近づくにつれ前記トレンチの深さ方向に深くなり、前記絶縁部は、トレンチ壁面に形成されたゲート絶縁膜と、トレンチ底部に形成された底部埋込絶縁膜とを備え、前記底部埋込絶縁膜は、前記トレンチの深さ方向に深くなるにつれ、前記ゲート酸化膜よりも厚くなる厚い絶縁膜部分を有し、前記厚い絶縁膜部分は、前記ボディ領域の最低部より前記トレンチの深さ方向に対して所定の深さに位置されている半導体装置。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。
パワーMOSFETの重要な特性としてオン抵抗とスイッチングスピードがある。パワーMOSFETのオン抵抗は、微細CMOS技術を応用により、例えば、単位面積あたりのチャネル幅を増加することで低減化が進められている。
パワーMOSFETのスイッチングスピードは、ゲート電荷量を低減することにより達成される。但し、一般的にセルトランジスタの微細化はゲート電荷量の増大を伴うため、ゲート絶縁膜を部分的に厚化するなど、ゲート電荷量を低減するための工夫がなされている。
ここで、トランジスタのオン抵抗やスイッチングスピードの低減化を目的とした従来技術が、特許文献1、2に開示されている。
特許文献1の技術では、図21のように、チャネル層11を斜めイオン注入で形成している。このことにより、トレンチ側壁に形成されるチャネル層11の濃度はトレンチ深さ方向にほぼ均一となる。そのためMOSFETの閾値がトレンチ深さ方向でほぼ均一となる。また、埋め込み酸化膜9が存在することで、ゲート−ドレイン間に形成されるゲート−ドレイン間容量Cgdを低減できる。このためゲート電荷量が減りスイッチングスピードが低減できる。
特許文献2の技術では、図22のように、ゲート絶縁膜2と、ドリフト層8及びドレイン層12とで接する部分を厚く形成することで、ドレインにかかる電圧をゲート絶縁膜2で分担でき、ドリフト層8の濃度を高く出来る。そのためドリフト層8の抵抗率が低減でき、MOSFETのオン抵抗を低減できる。
特開2001−284588号公報 特開2003−17696号公報
特許文献1では、トレンチの側壁に接するチャネル層とN層の接合が、ゲート電極の底面と同一平面上であるか、または同一平面より下方に存在する。しかし、特許文献1で示される製造方法では、チャネル層とN層の接合をゲート電極の底面と同一平面上とすることは困難である。また、この構造ではゲート−ドレイン間容量Cgdは低減できるものの、ごくわずかな製造バラツキでゲートオフセットの構造となり、MOSFETの重要特性であるオン抵抗が上昇、またはMOSFETがオン状態にならないという問題が発生する。
また、特許文献2では、ゲート絶縁膜4の膜厚の変化点はベース層10とドリフト層8の界面と同一面上に示されている。このため、特許文献1と同様、わずかな製造バラツキでゲートオフセットの構造となり、MOSFETの重要特性であるオン抵抗が上昇、またはMOSFETがオン状態にならないという問題が発生する。
ここで図23、図24を用いて上述したゲートオフセットの構造に関して説明する。図23はオフセット状態ではないMOSFETのオン時の模式図である。ゲート電極に正電圧を印加した場合、ゲート酸化膜の近傍のボディP領域は不純物が空乏〜反転状態となり、チャネルが形成される。このとき、ドレイン−ソース間に電圧を印加すればドレイン電流が流れ、MOSFETはオン状態となる。このように、オフセット状態ではない場合、ゲート酸化膜の近傍のボディP領域は完全に反転状態となるので、チャネル部は均一な抵抗を持った状態になる。
一方、図24はオフセット状態のMOSFETのオン時の模式図である。ゲート電極に正電圧を印加した場合、ゲート酸化膜の近傍のボディP領域は不純物が空乏〜反転状態となるが、この場合ゲート電極が十分下方まで延長されていないので、反転層が不完全に形成される領域が出来てしまう。そのためチャネルの不完全な反転層では高抵抗の状態となり、結果としてオン抵抗が上昇する。
よって、このようなゲートオフセットの構造とならないトレンチゲート型のMOSFETを有する半導体装置が求められている。
本発明の一態様は、第1導電型のドレイン領域と、前記ドレイン領域上に形成された第2導電型のボディ領域と、前記ボディ領域を貫通し、底面部分が前記ドレイン領域に達するトレンチと、前記トレンチに埋設されたゲート電極と、前記ゲート電極と、前記トレンチの側面及び底面とを絶縁する絶縁部と、を有し、前記ボディ領域は、前記トレンチ側面に近づくにつれ前記トレンチの深さ方向に深くなり、前記絶縁部は、トレンチ壁面に形成されたゲート絶縁膜と、トレンチ底部に形成された底部埋込絶縁膜とを備え、前記底部埋込絶縁膜は、前記トレンチの深さ方向に深くなるにつれ、前記ゲート酸化膜よりも厚くなる厚い絶縁膜部分を有し、前記厚い絶縁膜部分は、前記ボディ領域の最低部より前記トレンチの深さ方向に対して所定の深さに位置されている半導体装置である。
本発明の他の態様は、第1導電型の半導体基板にトレンチを形成し、前記トレンチ内を絶縁膜で埋め込み、前記絶縁膜をエッチバックすることにより、前記トレンチ底部に、前記トレンチの深さ方向に深くなるにつれ、前記トレンチ壁面からの厚みが厚くなる底部絶縁膜を形成し、前記底部埋込絶縁膜をマスクとして用いて、斜めイオン注入により、トレンチ側壁に第2導電型のボディ拡散層を形成し、前記トレンチ底部にある底部絶縁膜を、所定の深さにまでエッチバックし、前記トレンチ壁面を酸化させてゲート絶縁膜を形成し、前記底部絶縁膜及び前記ゲート絶縁膜上に前記トレンチを埋めるようにゲート電極を形成し、前記ゲート電極上部に層間絶縁膜を形成する半導体装置の製造方法である。
本発明にかかる半導体装置は、底部埋込絶縁膜の厚い絶縁膜部分が、ボディ領域の最低部よりトレンチの深さ方向に対して所定の深さに位置されている。このため、ボディ領域でチャンネル形成時のチャネル抵抗に高抵抗領域が現れるのを防ぐことができる。
本発明の半導体装置は、ゲートオフセットの構造となるのを防ぐことができる。
実施の形態1にかかる半導体装置の断面の構成の一例である。 実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法を説明する断面図である。 実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法を説明する断面図である。 実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法を説明する断面図である。 実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法を説明する断面図である。 実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法を説明する断面図である。 実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法を説明する断面図である。 実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法を説明する断面図である。 実施の形態1にかかる半導体装置の効果を説明する模式図である。 従来の半導体装置の問題点を説明する断面図である。 従来の半導体装置の問題点を説明する断面図である。 実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法を説明する断面図である。 実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法を説明する断面図である。 実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法を説明する断面図である。 実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法を説明する断面図である。 実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法を説明する断面図である。 実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法を説明する断面図である。 実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法を説明する断面図である。 実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法を説明する断面図である。 他の実施の形態にかかる半導体装置の断面の構成の一例である。 従来の半導体装置の製造方法である。 従来の半導体装置の断面の構成である。 従来の半導体装置の問題点を説明する模式図である。 従来の半導体装置の問題点を説明する模式図である。
発明の実施の形態1
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態1について、図面を参照しながら詳細に説明する。本発明の構造を以下の実施例により詳細に説明する。図1は本発明の一実施形態を説明したパワーMOSFET100の断面図である。
図1に示すように、パワーMOSFET100は、N型半導体基板101上にN型ドリフト領域102が形成されており、その表面にはP型ボディ領域103が存在する。P型ボディ領域103内にN型ソース領域104が存在する。
そして、N型ソース領域104及びP型ボディ領域103の表面からN型ソース領域104とP型ボディ領域103を貫通し、N型ドリフト領域102に達するトレンチが形成されている。このトレンチの下部は底部埋込絶縁膜108で埋め込まれ、トレンチの上部はゲート電極105で埋め込まれている。
ゲート電極105と、N型ドリフト領域102及びP型ボディ領域103及びN型ソース領域104とは、ゲート絶縁膜106で絶縁されている。ゲート絶縁膜106に接するP型ボディ領域103はトレンチの深さ方向に沿って一定の濃度となっている。
ゲート絶縁膜106の下方より底部埋込絶縁膜108の間には、ゲート絶縁膜106の膜厚より膜厚が厚い絶縁膜109が存在する。
型ドリフト領域102とP型ボディ領域103との界面SFは、厚い絶縁膜109とゲート絶縁膜106の膜厚の変化点Pと距離dを保ってゲート酸化膜に接している。このN型ドリフト領域102とP型ボディ領域103との界面SFの下限をSとする。
次に、本発明の製法を図2〜図8により詳細に説明する。この図2〜図8は本発明の一実施形態の各工程の断面図で説明したものである。
初めに、図2に示すように、N半導体基板101上のNドリフト領域102にトレンチを形成し、トレンチ内を絶縁膜121で埋め込む。
次に、図3に示すように、絶縁膜121をエッチバックし、トレンチ底部にのみ絶縁膜を残す。以後、このトレンチ底部に残った絶縁膜を底部埋込絶縁膜108と称す。ここで、絶縁膜エッチバックは、通常ドライエッチングにて行うが、その際エッチング条件を調節することで、図1で示した底部埋込絶縁膜108とゲート絶縁膜106を接続する厚い絶縁膜109を形成することが可能である。一般的にリアクティブイオンエッチング(RIE)方式のエッチング設備では、チャンバー内圧力を上げ、RFパワーを下げることで等方性のエッチングに近くなるので、エッチングの際はそのパラメータを調節することで、上記厚い絶縁膜109を形成することができる。
次に、図4に示すように、斜めイオン注入により、トレンチ側壁にボディ拡散層を形成する。ここで、斜めイオン注入ではトレンチ底部の埋込絶縁膜をマスクとして利用し(セルフアライン)、トレンチの側壁にイオンが注入される。このため、トレンチ側壁のP型ボディ領域103はトレンチの深さ方向に沿って一定の不純物濃度となる。更には、P型ボディ領域103が形成される下限Sは埋込絶縁膜の表面高さHで決定される。
次に、図5に示すように、トレンチ底部酸化膜を再度エッチバックする。この絶縁膜再エッチバックを行うことにより、図1に示した、P型ボディ領域103の下限Sと、厚い絶縁膜109が形成される上限Pとの距離dが形成される。そして、この距離dの決定は、この図5で行う絶縁膜再エッチバックの工程のみで決定されるパラメータとなる。絶縁膜再エッチバックにより、この距離dを適切に設定することで、ゲート−ドレイン間容量Cgdのバラツキの少ないMOSFET100を製造することが可能となる。
次に、図6に示すように、ゲート絶縁膜106を形成する。
次に、図7に示すように、ゲート電極材料を埋め込んでエッチバックを行い、トレンチ内のみゲート電極105を形成する。更に、イオン注入等により、ソース拡散層(ソース領域)104を形成する。
次に、図8に示すように、層間絶縁膜107と、コンタクトホール(不図示)を形成する。最後に、図1のように、例えばアルミニウムや銅などの金属製のソース電極を形成する。このソース電極は、ソース領域104及びP型ボディ領域103に電気的に接続される。以上により、図1に示したパワーMOSFET100の構造となる。
ここで、特許文献1、2の従来技術では、製造バラツキにより容易に図24に示したようなオフセット状態となり、オン抵抗が増大する問題点があった。しかし、上述した構成を有する本実施の形態1のパワーMOSFET100では、図1に示したように、十分なマージンである距離dをとっており、製造バラツキによらず、安定してオフセットとならない構成とすることができる。このため、パワーMOSFET100は、低いオン抵抗を保つことが可能である。
また、本実施の形態1のパワーMOSFET100は、ゲート−ドレイン間寄生容量Cgdのバラツキが小さい。このことについて、パワーMOSFET100を模擬的に示した図9により説明する。まず、スイッチングスピードを決める主たるパラメータとして、ゲート−ドレイン間の寄生容量Cgdがある。この寄生容量Cgdは図9に示した通り、Cgd1、Cgd2、Cgd3に分けることが出来る。寄生容量Cgd1はゲート絶縁膜106間のゲート−ドレイン間寄生容量、寄生容量Cgd2は厚い絶縁膜109間のゲート−ドレイン間寄生容量、寄生容量Cgd3は底部埋込絶縁膜間108のゲート−ドレイン間寄生容量である。本実施の形態1のパワーMOSFET100では、厚い酸化膜109が存在することにより、それが無い場合と比較してゲート−ドレイン間の容量を低減できる。
また、図1のトレンチ側壁のP型ボディ領域103とNドリフト領域102の界面SFの位置は、図4で説明した斜めイオン注入時の底部埋込絶縁膜108の高さHで決まる。そして、距離dは、図5で説明したP型ボディ領域103形成後のエッチバックのみで決定されるパラメータとなり、寄生容量Cgdのバラツキが低減できる。
ここで、特許文献1の製造工程での問題点を図10(a)、図10(b)、図11を用いて説明する。図10(a)、図10(b)に特許文献1の製造工程の一部を示す。図10(a)に示すように、トレンチをCVD酸化膜8により埋め込み、その後、図10(b)に示すように、エッチングによりトレンチ7の底部に埋め込み酸化膜9を生成しているが、埋め込み酸化膜9の表面は平坦である。その状態でトレンチ7の側壁を酸化しているが、一般的にこのような状態で酸化をした場合、シリコンであるN層2と絶縁膜である埋め込み酸化膜9のコーナー部の酸化形状は、図11に示すように局所的に薄い酸化膜が形成される。そのためゲート絶縁膜10に局所的に薄い部分が存在し、トランジスタのゲート酸化膜10の絶縁耐圧の低下を引き起こすという欠点が存在する。
しかし、本実施の形態1のパワーMOSFET100の製造工程では、図3で説明したように、トレンチ側壁にサイドウォール状に絶縁膜を残しているため、トレンチ側壁シリコンと絶縁膜のコーナー部の酸化形状は局所的に薄い酸化膜が形成されない。そのため、パワーMOSFET100では、ゲート絶縁膜が局所的に薄い部分が存在せず、ゲート酸化膜の絶縁耐圧の低下が生じないという利点がある。
発明の実施の形態2
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態2について、図面を参照しながら詳細に説明する。この実施の形態2では、図1のパワーMOSFET100を実施の形態1と異なる製造方法により製造する。本実施の形態2の製法を図12〜図19により詳細に説明する。この図12〜図19は本実施の形態2の各工程の断面図で説明したものである。なお、図12〜図19に示された符号のうち、図1〜図8と同じ符号を付した構成は、図1〜図8と同じか又は類似の構成を示している。
初めに、図12に示すように、N半導体基板101上のNドリフト領域102にトレンチを形成し、Nドリフト領域102表面およびトレンチ内を熱酸化し、熱酸化膜211を形成する。
次に、図13に示すように、化学気相蒸着(CVD)法により、酸化膜(SiO)等からなるCVD酸化膜212により、トレンチを完全に埋込む。
次に、図14に示すように、トレンチ内に埋め込んだ酸化膜(熱酸化膜211、CVD酸化膜212)をエッチバックすることにより、トレンチ底部のみに酸化膜を残す。以後、このトレンチ底部に残った酸化膜を底部埋込絶縁膜108と称す。ここで、実施の形態1の絶縁膜エッチバック工程(図3)はドライエッチング条件を調節することで厚い絶縁膜109を形成している。本実施の形態2ではトレンチの埋込みにエッチングレートの異なる2つの膜(熱酸化膜211、CVD酸化膜212)を用いているため、例えばウェットエッチングで膜の選択比により、厚い絶縁膜109を形成することが可能である。つまり、熱酸化膜211はエッチングレートが低く、CVD酸化膜212はエッチングレートが高いため、図14に示すようなトレンチ側壁にサイドウォール状に絶縁膜を残すことができる。
次に、図15に示すように、斜めイオン注入により、トレンチ側壁にボディ拡散層を形成する。ここで、実施の形態1と同様、トレンチ底部の埋込絶縁膜をマスクとしてトレンチの側壁に、斜めイオン注入法でイオンが注入される。このため、トレンチ側壁のP型ボディ領域103はトレンチの深さ方向に沿って一定の濃度となる。更には、P型ボディ領域103が形成される下限Sは埋込絶縁膜の表面高さHで決定される。
次に、図16に示すように、トレンチ底部酸化膜を再度エッチバックする。この絶縁膜再エッチバックを行うことにより、実施の形態1と同様、図1に示した、P型ボディ領域103の下限Sと、厚い絶縁膜109が形成される上限Pとの距離dが形成される。そして、この距離dの決定は、この図16で行う絶縁膜再エッチバックの工程のみで決定されるパラメータとなる。絶縁膜再エッチバックにより、この距離dを適切に設定することで、実施の形態1と同様、ゲート−ドレイン間容量Cgdのバラツキの少ないMOSFET100を製造することが可能となる。
次に、図17に示すように、ゲート絶縁膜106を形成する。
次に、図18に示すように、ゲート電極材料を埋め込んでエッチバックを行い、トレンチ内のみゲート電極105を形成する。更に、イオン注入等により、ソース拡散層(ソース領域)104を形成する。
次に、図19に示すように、層間絶縁膜107とコンタクトホール(不図示)を形成する。最後に、図1のように、例えばアルミニウムや銅などの金属製のソース電極を形成する。このソース電極は、ソース領域104及びP型ボディ領域103に電気的に接続される。以上により、本実施の形態2により図1に示したパワーMOSFET100の構造を形成する。
実施の形態1の図3の工程では、トレンチ内の厚い酸化膜を形成する際にドライエッチングの精度に依存するが、本実施の形態2の製造方法では、図14で説明したように、膜質の違う膜のエッチレート差を利用するので、ドライエッチング設備による製造バラツキがより低減される。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものでなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、図20に示すように、ゲートトレンチ内に層間絶縁膜207が埋め込まれるような構成のパワーMOSFET200であってもよい。この構成のパワーMOSFET200を製造する場合は、実施の形態1の図8、もしくは実施の形態2の図19の工程で形成した層間絶縁膜207をエッチバックして、ゲートトレンチ内に層間絶縁膜207が埋め込まれるような構成とする。その後、上部にソース電極210を形成する。層間絶縁膜207の表面は、ボディ領域103とソース領域104の表面とほぼ同一表面を成すか、ボディ領域103とソース領域104の表面よりも低くなるように形成される。このように形成することで、上述の実施の形態のように層間絶縁膜にコンタクトホールを形成する必要がない。従って、層間絶縁膜へのコンタクトホールの形成工程が不要であるばかりでなく、図1のようなコンタクトホールの張り出し部分(ソース領域104上に層間絶縁膜107が被さっている部分)を無くすことができるため、個々のMOSFETセルの横方向のサイズを小さくすることができる。
さらに、上述の実施の形態では、パワー半導体素子としてMOSFETを例に説明したが、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)に入れ替えても、本発明と同様の効果が得られる。
100、200 パワーMOSFET
101 N半導体基板
102 Nドリフト領域
103 P型ボディ領域
104 Nソース領域
105 ゲート電極
106 ゲート絶縁膜
107 層間絶縁膜
108 底部埋込絶縁膜
109 厚い絶縁膜
110 ソース電極

Claims (8)

  1. 第1導電型のドレイン領域と、
    前記ドレイン領域上に形成された第2導電型のボディ領域と、
    前記ボディ領域を貫通し、底面部分が前記ドレイン領域に達するトレンチと、
    前記ボディ領域表層部において、前記トレンチに隣接して形成されたソース領域と、
    前記トレンチに埋設されたゲート電極と、
    前記ゲート電極と、前記トレンチの側面及び底面とを絶縁する絶縁部と、を有し、
    前記ボディ領域は、前記トレンチ側面に近づくにつれ前記トレンチの深さ方向に深くなり、
    前記絶縁部は、トレンチ壁面に形成されたゲート絶縁膜と、トレンチ底部に形成された底部埋込絶縁膜とを備え、
    前記底部埋込絶縁膜は、前記トレンチの深さ方向に深くなるにつれ、前記ゲート酸化膜よりも厚くなる厚い絶縁膜部分を有し、
    前記厚い絶縁膜部分は、前記ボディ領域の最低部より前記トレンチの深さ方向に対して所定の深さに位置されている
    半導体装置。
  2. 前記ゲート絶縁膜と接する前記ボディ領域は、前記トレンチの深さ方向に深くなっても均一な不純物濃度を有する
    請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記底部埋込絶縁膜は、熱酸化膜部分とCVD酸化膜部分とを有し、
    前記熱酸化膜部分は、前記トレンチ壁面側に形成され、
    前記CVD酸化膜部分は、その他の部分に形成される
    請求項1または請求項2に記載の半導体装置。
  4. 前記ゲート電極上部に形成される層間絶縁膜が、前記ボディ領域平面と実質的に同じ面となるように形成される
    請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の半導体装置。
  5. 第1導電型の半導体基板にトレンチを形成し、
    前記トレンチ内を絶縁膜で埋め込み、
    前記絶縁膜をエッチバックすることにより、前記トレンチ底部に、前記トレンチの深さ方向に深くなるにつれ、前記トレンチ壁面からの厚みが厚くなる底部絶縁膜を形成し、
    前記底部埋込絶縁膜をマスクとして用いて、斜めイオン注入により、トレンチ側壁に第2導電型のボディ拡散層を形成し、
    前記トレンチ底部にある底部絶縁膜を、所定の深さにまでエッチバックし、
    前記トレンチ壁面を酸化させてゲート絶縁膜を形成し、
    前記底部絶縁膜及び前記ゲート絶縁膜上に前記トレンチを埋めるようにゲート電極を形成し、
    前記ボディ領域表層部において、前記トレンチに隣接するよう第1導電型のソース領域を形成し、
    前記ゲート電極上部に層間絶縁膜を形成する
    半導体装置の製造方法。
  6. 前記トレンチ内を絶縁膜で埋め込む場合、
    前記トレンチ壁面側にはエッチングレートが低く、内側の絶縁膜にはエッチングレートが高い絶縁膜を使用する
    請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記トレンチ内を絶縁膜で埋め込む場合、
    前記トレンチ内を熱酸化することにより、前記トレンチ壁面に熱酸化膜を形成し、
    その後、前記熱酸化膜上に、CVD法によりCVD酸化膜を形成する
    請求項5または請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記トレンチ底部にある底部絶縁膜を、所定の深さにまでエッチバックする場合、リアクティブイオンエッチング方式を用いる
    請求項5〜請求項7のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
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