JP2011199109A - Power mosfet - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置(または半導体集積回路装置)におけるMOSFETデバイス技術に適用して有効な技術に関する。 The present invention relates to a technique effective when applied to a MOSFET device technique in a semiconductor device (or a semiconductor integrated circuit device).
日本特開2004−47923号公報(特許文献1)または、これに対応する米国特許公開2004−56284号公報(特許文献2)には、ソース電位またはゲート電位に接続されたフィールドプレート(Field Plate)電極を有する横型(Lateral)パワーMOSFETが開示されている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-47923 (Patent Document 1) or US Patent Publication No. 2004-56284 (Patent Document 2) corresponding thereto discloses a field plate connected to a source potential or a gate potential (Field Plate). A lateral power MOSFET with electrodes is disclosed.
日本特開2008−103683号公報(特許文献3)または、これに対応する米国特許公開2008−42172号公報(特許文献4)には、通常のトレンチゲート(Trench Gate)電極の下方にソース電位に接続されたフィールドプレート電極を有するパワーMOSFETが開示されている。 In Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2008-103683 (Patent Document 3) or US Patent Publication No. 2008-42172 (Patent Document 4) corresponding thereto, the source potential is set below a normal trench gate electrode. A power MOSFET having connected field plate electrodes is disclosed.
日本特開2006−324570号公報(特許文献5)または、これに対応する米国特許公開2009−230467号公報(特許文献6)には、通常のトレンチゲート電極の下方にゲート電位に接続されたフィールドプレート電極を有するパワーMOSFETが開示されている。 Japanese Patent Laid-Open No. 2006-324570 (Patent Document 5) or US Patent Publication No. 2009-230467 (Patent Document 6) corresponding thereto discloses a field connected to a gate potential below a normal trench gate electrode. A power MOSFET having a plate electrode is disclosed.
通常、トレンチパワーMOSFETのチャネル抵抗を小さくするためには、ゲートピッチを小さくしていく事が有効であるが、深いトレンチ内に真性ゲート電極(通常、単に「ゲート電極」と言う)と埋め込みフィールドプレート電極を有するトレンチ内ダブルゲート型バーティカル(Vertical)パワーMOSFETにおいては、そのゲートピッチを2マイクロメートル程度以下の領域にまで縮小して行くと、電流通路であるトレンチ間のドリフト領域の幅が縮小するため、総ゲート幅の増加によるオン抵抗低減効果が薄れてしまう。しかし、本願発明者らが種々、検討及び検証したところによると、埋め込みフィールドプレート電極をゲート電位に接続したゲート接続型のトレンチ内ダブルゲート型バーティカルパワーMOSFETは、埋め込みフィールドプレート電極をソース電位に接続したソース接続型のトレンチ内ダブルゲート型バーティカルパワーMOSFETほどには、微細化による電流通路狭隘化の影響を受けにくいことが明らかとなった。そのため、ゲート接続型のトレンチ内ダブルゲート型バーティカルパワーMOSFETにおいては、ゲートピッチの微細化による総ゲート幅の増加により、低オン抵抗と高ソースドレイン耐圧を両立させることができる可能性がある。 Normally, it is effective to reduce the gate pitch in order to reduce the channel resistance of the trench power MOSFET. However, an intrinsic gate electrode (usually simply referred to as “gate electrode”) and a buried field in a deep trench. In a double-gate vertical power MOSFET in a trench having a plate electrode, when the gate pitch is reduced to a region of about 2 micrometers or less, the width of the drift region between trenches, which is a current path, is reduced. Therefore, the on-resistance reduction effect due to the increase in the total gate width is reduced. However, according to various investigations and verifications by the inventors of the present application, the double-gate type vertical power MOSFET in the gate connection type in which the buried field plate electrode is connected to the gate potential is connected to the source potential. It was found that the source-connected double-gate type vertical power MOSFET in the trench is less susceptible to the narrowing of the current path due to miniaturization. For this reason, in the gate-connected in-trench double-gate vertical power MOSFET, there is a possibility that both low on-resistance and high source-drain breakdown voltage can be achieved by increasing the total gate width by reducing the gate pitch.
本願発明は、これらの課題を解決するためになされたものである。 The present invention has been made to solve these problems.
本発明の目的は、耐圧を確保しつつ、低オン抵抗を実現できるパワーMOSFET等の半導体装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device such as a power MOSFET capable of realizing a low on-resistance while ensuring a withstand voltage.
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。 The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。 The following is a brief description of an outline of typical inventions disclosed in the present application.
すなわち、本願の一つの発明は、トレンチ内ダブルゲート型パワーMOSFETにおいて、トレンチ間隔を1.5マイクロメートル以下で、且つ、0.1マイクロメートル以上としたものである。 That is, according to one aspect of the present invention, in the double gate type power MOSFET in the trench, the trench interval is 1.5 micrometers or less and 0.1 micrometers or more.
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記のとおりである。 The effects obtained by the representative ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
すなわち、トレンチ内ダブルゲート型パワーMOSFETにおいて、トレンチ間隔を1.5マイクロメートル以下で、且つ、0.1マイクロメートル以上とすることにより、耐圧を確保しつつ、低オン抵抗を実現することができる。 That is, in the double-gate power MOSFET in the trench, by setting the trench interval to 1.5 micrometers or less and 0.1 micrometers or more, a low on-resistance can be realized while ensuring a withstand voltage. .
〔実施の形態の概要〕
先ず、本願において開示される発明の代表的な実施の形態について概要を説明する。
[Outline of Embodiment]
First, an outline of a typical embodiment of the invention disclosed in the present application will be described.
1.以下を含むパワーMOSFET:
(a)一主面を有するシリコン系半導体基板;
(b)前記第1の主面に設けられた多数の線状トレンチ、
ここで、各線状トレンチは、以下を有する:
(b1)ポリシリコン線状フィールドプレート電極;
(b2)前記ポリシリコン線状フィールドプレート電極に沿って、その上方に設けられたポリシリコン線状ゲート電極、
更に、ここで、
(1)前記ポリシリコン線状フィールドプレート電極は、前記ポリシリコン線状ゲート電極とほぼ同じ電位に接続されており、
(2)前記多数の線状トレンチの隣接する各線状トレンチの間隔は、1.5マイクロメートル以下であって0.1マイクロメートル以上である。
1. Power MOSFET including:
(A) a silicon-based semiconductor substrate having one principal surface;
(B) a number of linear trenches provided in the first main surface;
Here, each linear trench has:
(B1) polysilicon linear field plate electrode;
(B2) A polysilicon linear gate electrode provided above the polysilicon linear field plate electrode,
Furthermore, where
(1) The polysilicon linear field plate electrode is connected to substantially the same potential as the polysilicon linear gate electrode,
(2) An interval between adjacent linear trenches of the multiple linear trenches is 1.5 micrometers or less and 0.1 micrometers or more.
2.前記1項のパワーMOSFETにおいて、前記ポリシリコン線状フィールドプレート電極は、前記線状トレンチの外部において、前記ポリシリコン線状ゲート電極と電気的に接続されている。
2. In the power MOSFET of
3.前記1または2項のパワーMOSFETにおいて、前記多数の線状トレンチの隣接する各線状トレンチの間隔は、1.3マイクロメートル以下であって0.1マイクロメートル以上である。
3. In the power MOSFET of
4.前記1または2項のパワーMOSFETにおいて、前記多数の線状トレンチの隣接する各線状トレンチの間隔は、1.2マイクロメートル以下であって0.1マイクロメートル以上である。
4). In the power MOSFET of
5.前記1から4項のいずれか一つのパワーMOSFETにおいて、前記ポリシリコン線状フィールドプレート電極は、第1の絶縁膜によって、各線状トレンチの内面から隔てられている。
5. 5. In the power MOSFET of any one of
6.前記5項のパワーMOSFETにおいて、前記ポリシリコン線状ゲート電極は、前記第1の絶縁膜よりも薄い第2の絶縁膜によって、各線状トレンチの内面および前記ポリシリコン線状フィールドプレート電極から隔てられている。
6). 5. In the power MOSFET of
7.前記1から6項のいずれか一つのパワーMOSFETにおいて、前記パワーMOSFETは、Nチャネル型パワーMOSFETである。 7). 7. The power MOSFET according to any one of 1 to 6, wherein the power MOSFET is an N-channel power MOSFET.
8.以下の工程を含むパワーMOSFETの製造方法:
(a)一主面を有するシリコン系半導体基板を準備する工程;
(b)前記第1の主面に多数の線状トレンチを形成する工程;
(c)各線状トレンチの内面を第1の絶縁膜で被覆する工程;
(d)前記第1の絶縁膜で被覆された各線状トレンチ内にフィールドプレート電極となるべき第1のポリシリコン電極を埋め込む工程;
(e)各線状トレンチ内において、その上半部内面の前記第1の絶縁膜を除去することによって、前記上半部内面および前記第1のポリシリコン電極の上端部を露出させる工程;
(f)露出された前記上半部内面および前記第1のポリシリコン電極の前記上端部を第2の絶縁膜で被覆する工程;
(g)前記工程(f)の後、各線状トレンチの前記上半部に、前記第1の絶縁膜よりも薄く、ゲート電極となるべき第2のポリシリコン電極を埋め込む工程、
ここで、
(1)前記フィールドプレート電極は、前記ゲート電極とほぼ同じ電位に接続されるようになっており;
(2)前記多数の線状トレンチの各隣接線状トレンチ間の間隔は、1.5マイクロメートル以下であって0.1マイクロメートル以上である。
8). A power MOSFET manufacturing method including the following steps:
(A) a step of preparing a silicon-based semiconductor substrate having one principal surface;
(B) forming a large number of linear trenches on the first main surface;
(C) coating the inner surface of each linear trench with a first insulating film;
(D) burying a first polysilicon electrode to be a field plate electrode in each linear trench covered with the first insulating film;
(E) in each linear trench, removing the first insulating film on the inner surface of the upper half to expose the upper surface of the upper half and the upper end of the first polysilicon electrode;
(F) a step of covering the exposed inner surface of the upper half portion and the upper end portion of the first polysilicon electrode with a second insulating film;
(G) After the step (f), a step of embedding a second polysilicon electrode which is thinner than the first insulating film and is to become a gate electrode in the upper half of each linear trench;
here,
(1) The field plate electrode is connected to substantially the same potential as the gate electrode;
(2) The spacing between adjacent linear trenches of the multiple linear trenches is 1.5 micrometers or less and 0.1 micrometers or more.
9.前記8項のパワーMOSFETの製造方法において、前記フィールドプレート電極は、前記線状トレンチの外部において、前記ゲート電極と電気的に接続されている。
9. In the power MOSFET manufacturing method according to the
10.前記8または9項のパワーMOSFETの製造方法において、前記多数の線状トレンチの隣接する各線状トレンチの間隔は、1.3マイクロメートル以下であって0.1マイクロメートル以上である。
10. In the method for manufacturing a power MOSFET according to
11.前記8または9項のパワーMOSFETの製造方法において、前記多数の線状トレンチの隣接する各線状トレンチの間隔は、1.2マイクロメートル以下であって0.1マイクロメートル以上である。
11. In the method for manufacturing a power MOSFET according to
12.前記8から11項のいずれか一つのパワーMOSFETの製造方法において、前記パワーMOSFETは、Nチャネル型パワーMOSFETである。 12 12. In the method for manufacturing a power MOSFET according to any one of 8 to 11, the power MOSFET is an N-channel power MOSFET.
〔本願における記載形式、基本的用語、用法の説明〕
1.本願において、実施の態様の記載は、必要に応じて、便宜上複数のセクションに分けて記載する場合もあるが、特にそうでない旨明示した場合を除き、これらは相互に独立別個のものではなく、単一の例の各部分、一方が他方の一部詳細または一部または全部の変形例等である。また、原則として、同様の部分は繰り返しを省略する。また、実施の態様における各構成要素は、特にそうでない旨明示した場合、理論的にその数に限定される場合および文脈から明らかにそうでない場合を除き、必須のものではない。
[Description format, basic terms, usage in this application]
1. In the present application, the description of the embodiment may be divided into a plurality of sections for convenience, if necessary, but these are not independent from each other unless otherwise specified. Each part of a single example, one part is the other part of the details, or part or all of the modifications. Moreover, as a general rule, the same part is not repeated. In addition, each component in the embodiment is not indispensable unless specifically stated otherwise, unless it is theoretically limited to the number, and obviously not in context.
更に、本願において、「トランジスタ」、「半導体装置」または「半導体集積回路装置」というときは、主に、各種トランジスタ(能動素子)単体、および、それらを中心に、抵抗、コンデンサ等を半導体チップ等(たとえば単結晶シリコン基板)上に集積したものをいう。ここで、各種トランジスタの代表的なものとしては、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)に代表されるMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)を例示することができる。なお、本願においては、「MOSFET」というときは、ゲート絶縁膜が酸化膜であるもののみでなく、それ以外の絶縁膜をゲート絶縁膜として使用するものを含むものとする。 Further, in the present application, the term “transistor”, “semiconductor device” or “semiconductor integrated circuit device” mainly refers to various transistors (active elements) alone, and mainly a resistor, a capacitor, etc., as a semiconductor chip, etc. The one integrated on (for example, a single crystal silicon substrate). Here, as a representative of various transistors, a MISFET (Metal Insulator Semiconductor Effect Transistor) typified by a MOSFET (Metal Oxide Field Effect Transistor) can be exemplified. In the present application, the term “MOSFET” includes not only the gate insulating film that is an oxide film, but also those that use other insulating films as the gate insulating film.
2.同様に実施の態様等の記載において、材料、組成等について、「AからなるX」等といっても、特にそうでない旨明示した場合および文脈から明らかに、そうでない場合を除き、A以外の要素を主要な構成要素のひとつとするものを排除するものではない。たとえば、成分についていえば、「Aを主要な成分として含むX」等の意味である。たとえば、「シリコン部材」等といっても、純粋なシリコンに限定されるものではなく、SiGe合金やその他シリコンを主要な成分とする多元合金、その他の添加物等を含む部材も含むものであることはいうまでもない。同様に、「酸化シリコン膜」、「酸化シリコン系絶縁膜」等と言っても、比較的純粋な非ドープ酸化シリコン(Undoped Silicon Dioxide)だけでなく、FSG(Fluorosilicate Glass)、TEOSベース酸化シリコン(TEOS-based silicon oxide)、SiOC(Silicon Oxicarbide)またはカーボンドープ酸化シリコン(Carbon-doped Silicon oxide)またはOSG(Organosilicate glass)、PSG(Phosphorus Silicate Glass)、BPSG(Borophosphosilicate Glass)等の熱酸化膜、CVD酸化膜、SOG(Spin ON Glass)、ナノクラスタリングシリカ(Nano-Clustering Silica:NCS)等の塗布系酸化シリコン、これらと同様な部材に空孔を導入したシリカ系Low-k絶縁膜(ポーラス系絶縁膜)、およびこれらを主要な構成要素とする他のシリコン系絶縁膜との複合膜等を含むことは言うまでもない。 2. Similarly, in the description of the embodiment and the like, the material, composition, etc. may be referred to as “X consisting of A”, etc., except when clearly stated otherwise and clearly from the context, except for A It does not exclude what makes an element one of the main components. For example, as for the component, it means “X containing A as a main component”. For example, “silicon member” is not limited to pure silicon, but also includes SiGe alloys, other multi-component alloys containing silicon as a main component, and members containing other additives. Needless to say. Similarly, “silicon oxide film”, “silicon oxide insulating film”, etc. are not only relatively pure undoped silicon oxide (FS), but also FSG (Fluorosilicate Glass), TEOS-based silicon oxide ( Thermal oxide films such as TEOS-based silicon oxide), SiOC (Silicon Oxicarbide) or carbon-doped silicon oxide or OSG (Organosilicate glass), PSG (Phosphorus Silicate Glass), BPSG (Borophosphosilicate Glass), CVD Oxide film, SOG (Spin ON Glass), nano-clustering silica (Nano-Clustering Silica: NCS) and other coating-type silicon oxide, silica-based low-k insulating film (porous insulating) Needless to say, a film) and a composite film with other silicon-based insulating films including these as main constituent elements are included.
3.同様に、図形、位置、属性等に関して、好適な例示をするが、特にそうでない旨明示した場合および文脈から明らかにそうでない場合を除き、厳密にそれに限定されるものではないことは言うまでもない。 3. Similarly, suitable examples of graphics, positions, attributes, and the like are given, but it is needless to say that the present invention is not strictly limited to those cases unless explicitly stated otherwise, and unless otherwise apparent from the context.
4.さらに、特定の数値、数量に言及したときも、特にそうでない旨明示した場合、理論的にその数に限定される場合および文脈から明らかにそうでない場合を除き、その特定の数値を超える数値であってもよいし、その特定の数値未満の数値でもよい。 4). In addition, when a specific number or quantity is mentioned, a numerical value exceeding that specific number will be used unless specifically stated otherwise, unless theoretically limited to that number, or unless otherwise clearly indicated by the context. There may be a numerical value less than the specific numerical value.
5.「ウエハ」というときは、通常は半導体装置(半導体集積回路装置、電子装置も同じ)をその上に形成する単結晶シリコンウエハを指すが、エピタキシャルウエハ、SOI基板、LCDガラス基板等の絶縁基板と半導体層等の複合ウエハ等も含むことは言うまでもない。 5. “Wafer” usually refers to a single crystal silicon wafer on which a semiconductor device (same as a semiconductor integrated circuit device and an electronic device) is formed, but an insulating substrate such as an epitaxial wafer, an SOI substrate, an LCD glass substrate, and the like. Needless to say, a composite wafer such as a semiconductor layer is also included.
6.本願において、「パワー半導体」というときは、数ワット以上の電力を扱うことができる半導体デバイスを言う。従って、通常のパワーMOSFETは、全てこれに含まれる。 6). In the present application, the term “power semiconductor” refers to a semiconductor device that can handle electric power of several watts or more. Therefore, all normal power MOSFETs are included in this.
パワーMOSFETの内、「トレンチゲートパワーMOSFET」とは、通常、半導体基板のデバイス面(第1の主面)に形成されたトレンチ(比較的長くて細い溝)内にポリシリコン等のゲート電極があり、半導体基板の厚さ方向(縦方向)にチャネルが形成されるものを言う。この場合、通常、半導体基板のデバイス面側がソースとなり、裏面側(第2の主面側)がドレインとなる。なお、ゲート電極の主要部(電極引き出し部以外の部分)の一部は、トレンチ外にはみ出しても良い。 Among power MOSFETs, a “trench gate power MOSFET” is usually a gate electrode made of polysilicon or the like in a trench (relatively long and thin groove) formed on a device surface (first main surface) of a semiconductor substrate. In other words, the channel is formed in the thickness direction (vertical direction) of the semiconductor substrate. In this case, the device surface side of the semiconductor substrate is usually the source, and the back surface side (second main surface side) is the drain. A part of the main part of the gate electrode (a part other than the electrode lead part) may protrude from the trench.
トレンチゲートパワーMOSFETの内、「トレンチ内ダブルゲート型パワーMOSFET」は、トレンチ内のゲート電極(真性ゲート電極)の下方に、フィールドプレート電極を有するものを言う。製法上の問題から、トレンチ内に於いてはゲート電極(真性ゲート電極)とフィールドプレート電極(フィールドプレートゲート電極)を分離する場合(ダブルゲート分離型構造)が多いが、ゲート電極とフィールドプレート電極を一体にした構造(ダブルゲート一体型構造)もトレンチ内ダブルゲート型パワーMOSFETに属するものとする。なお、ダブルゲート分離型構造は、更に、フィールドプレートゲート電極の電位を真性ゲート電極と同じにした(トレンチ外で真性ゲート電極に接続)「ゲート接続型」と、フィールドプレートゲート電極の電位をソース電極と同じにした(トレンチ外でソース電極に接続)「ソース接続型」に分類される。 Among the trench gate power MOSFETs, the “in-trench double gate type power MOSFET” refers to one having a field plate electrode below the gate electrode (intrinsic gate electrode) in the trench. Due to manufacturing problems, there are many cases where the gate electrode (intrinsic gate electrode) and the field plate electrode (field plate gate electrode) are separated in the trench (double gate separation type structure), but the gate electrode and the field plate electrode It is assumed that the structure in which the two are integrated (double gate integrated structure) also belongs to the double gate type power MOSFET in the trench. In addition, the double gate separation type structure has the same potential of the field plate gate electrode as that of the intrinsic gate electrode (connected to the intrinsic gate electrode outside the trench) and the potential of the field plate gate electrode as the source. Same as the electrode (connected to the source electrode outside the trench) and classified as “source connection type”.
ここで「フィールドプレート電極」とは、ゲート電極のドレイン側端部近傍に集中する急峻な電位勾配を分散させる働きを有する電極で、通常、ソース電極またはゲート電極に電気的に接続されている。通常、このフィールドプレート電極とドリフト領域の界面は、ゲート絶縁膜(真性ゲート絶縁膜)よりも厚い絶縁膜で構成されている。 Here, the “field plate electrode” is an electrode having a function of dispersing a steep potential gradient concentrated near the drain side end of the gate electrode, and is usually electrically connected to the source electrode or the gate electrode. Usually, the interface between the field plate electrode and the drift region is formed of an insulating film thicker than the gate insulating film (intrinsic gate insulating film).
本願で扱うNチャネル型パワーMOSFETは、パワーデバイスに対する基本的要請であるフェールセーフの観点から、通常、ノーマリオフデバイスであり、閾値電圧(Vth)は正値(ソース電位を基準とする)である。本願で主に対象とするVthの範囲は、0.5ボルト程度から6ボルト程度である。 The N-channel power MOSFET handled in the present application is normally a normally-off device from the viewpoint of fail-safe which is a basic requirement for a power device, and the threshold voltage (Vth) is a positive value (based on the source potential). The range of Vth mainly targeted in the present application is about 0.5 to 6 volts.
7.本願において、「線状」というときは、直線状だけでなく、屈曲部を有するものも含むことは言うまでもない。 7). In the present application, when it is referred to as “linear”, it goes without saying that it includes not only a linear shape but also a bent portion.
また、トレンチ、電極等について「多数の」というときは、繰り返し構造を構成する程度の数を示すもので、少なくとも10以上の数を示し、本願で主に扱うセル部の繰り返し構造では、通常、100から10000の間の数値を表す。 In addition, when referring to “a large number” of trenches, electrodes, etc., it indicates the number that constitutes a repetitive structure, and indicates a number of at least 10 or more. In the repetitive structure of the cell part mainly dealt with in the present application, Represents a numerical value between 100 and 10,000.
〔実施の形態の詳細〕
実施の形態について更に詳述する。各図中において、同一または同様の部分は同一または類似の記号または参照番号で示し、説明は原則として繰り返さない。
[Details of the embodiment]
The embodiment will be further described in detail. In the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar symbols or reference numerals, and description thereof will not be repeated in principle.
また、添付図面においては、却って、煩雑になる場合または空隙との区別が明確である場合には、断面であってもハッチング等を省略する場合がある。これに関連して、説明等から明らかである場合等には、平面的に閉じた孔であっても、背景の輪郭線を省略する場合がある。更に、断面でなくとも、空隙でないことを明示するために、ハッチングを付すことがある。 In the accompanying drawings, hatching or the like may be omitted even in a cross section when it becomes complicated or when the distinction from the gap is clear. In relation to this, when it is clear from the description etc., the contour line of the background may be omitted even if the hole is planarly closed. Furthermore, even if it is not a cross section, it may be hatched to clearly indicate that it is not a void.
なお、フィールドプレートをゲート電極と同電位に接続したトレンチ内ダブルゲート型パワーMOSFETについて開示した本願発明者らによる先行特許出願としては、たとえば日本特願第2010−46452号(日本出願日2010年3月3日)がある。 In addition, as a prior patent application by the inventors of the present application which discloses a double gate type power MOSFET in a trench in which a field plate is connected to the same potential as a gate electrode, for example, Japanese Patent Application No. 2010-46452 March 3).
1.本願の一実施の形態のトレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETのデバイス構造の説明(主に図1から図5)
この例では、トレンチゲート電極およびフィールドプレート電極を相互に別体のものとしているが、同一型のポリシリコンであり、材料が同一であるので、一体のものとして構成しても良い。ただ、一体とすると、ゲート酸化膜18(図3)とフィールドプレート−ゲート間絶縁膜19(図3)に厚さの差をつけることが却って困難となる等のデメリットがある。特に、ゲート接続型のトレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFET(ゲート接続型のトレンチ内ダブルゲート型PチャネルパワーMOSFETも同じ)では、ゲート電極12(図3)とフィールドプレート電極20(図3)が同電位であり、フィールドプレート−ゲート間絶縁膜29(図3)が薄くても良いので、トレンチゲート電極12(図3)およびフィールドプレート電極20(図3)を相互に別体のものとした方が、プロセス的整合性が高い。
1. Description of device structure of double gate type N-channel power MOSFET in trench according to one embodiment of the present application (mainly FIGS. 1 to 5)
In this example, the trench gate electrode and the field plate electrode are separate from each other. However, since they are the same type of polysilicon and the same material, they may be configured as an integral one. However, if integrated, there is a demerit that it becomes difficult to make a difference in thickness between the gate oxide film 18 (FIG. 3) and the field plate-gate insulating film 19 (FIG. 3). In particular, in a gate-connected in-trench double gate N-channel power MOSFET (the same applies to a gate-connected in-trench double-gate P-channel power MOSFET), the gate electrode 12 (FIG. 3) and the field plate electrode 20 (FIG. 3). And the field plate-gate insulating film 29 (FIG. 3) may be thin, so that the trench gate electrode 12 (FIG. 3) and the field plate electrode 20 (FIG. 3) are separated from each other. The process consistency is higher.
トレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETの特性、基本的仕様等はさまざまであるが、本願では、説明の便宜上、主に以下のようなデバイスを中心に説明する。すなわち、たとえば、4.5ボルト駆動、Vth1.7ボルト程度(範囲としては0.5ボルト程度から6ボルト程度)、ソースドレイン耐圧60ボルト程度を中心に、範囲として、たとえば30から150ボルト程度(なお、便宜上、ゲート耐圧は20ボルト程度を例にとる)、許容電流80から160アンペア程度、最大動作周波数10から150kHz程度、セルピッチ1.25マイクロメートル程度(範囲としては、0.6から2マイクロメートル程度)、ゲート幅は、たとえば0.65マイクロメートル程度(範囲としては、たとえば0.2から1マイクロメートル程度)、オン抵抗は、たとえば40mΩ/mm2程度、チップサイズは、たとえば、縦3ミリメートル、横5ミリメートル程度(通常、主に1辺が数ミリメートルの正方形又は長方形の矩形形状)である。
The characteristics, basic specifications, and the like of the double-gate N-channel power MOSFET in the trench are various. In the present application, the following devices will be mainly described for convenience of explanation. That is, for example, the drive is about 4.5 volts, Vth is about 1.7 volts (the range is about 0.5 to 6 volts), and the source / drain breakdown voltage is about 60 volts, for example, about 30 to 150 volts ( For convenience, the gate breakdown voltage is about 20 volts, the allowable current is about 80 to 160 amperes, the maximum operating frequency is about 10 to 150 kHz, and the cell pitch is about 1.25 micrometers (the range is 0.6 to 2 micrometers). Meter), the gate width is, for example, about 0.65 micrometers (the range is, for example, about 0.2 to 1 micrometer), the on-resistance is, for example, about 40 mΩ /
以下の例(セクション2の例を含む)では、主にモータドライブ用デバイスを例にとり説明するので、トレンチゲート電極およびフィールドプレート電極が相互に電気的に接続されている。 In the following example (including the example of section 2), description will be made mainly by taking a motor drive device as an example, so that the trench gate electrode and the field plate electrode are electrically connected to each other.
図1は本願の一実施の形態のトレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETのチップ上面図である。図2は図1のセル領域切り出し部R1の拡大上面図である。図3は図2のX−X’断面に対応するデバイス断面図である。図4は図1のY’−Y断面に対応するデバイス断面図である。図5は図1のY’’−Y断面に対応するデバイス断面図である。これらに基づいて、本願の一実施の形態のトレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETのデバイス構造を説明する。 FIG. 1 is a top view of a chip of a double gate type N-channel power MOSFET in a trench according to an embodiment of the present application. FIG. 2 is an enlarged top view of the cell region cutout portion R1 of FIG. FIG. 3 is a device cross-sectional view corresponding to the X-X ′ cross section of FIG. 2. FIG. 4 is a device cross-sectional view corresponding to the Y′-Y cross section of FIG. 1. FIG. 5 is a device cross-sectional view corresponding to the Y ″ -Y cross section of FIG. 1. Based on these, the device structure of the in-trench double-gate N-channel power MOSFET according to one embodiment of the present application will be described.
まず、図1に基づいて、トレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETのデバイスチップ2の上面1aの概略構造を説明する。図1に示すように、チップ2(たとえば、シリコン系半導体基板)の端部を周回しているリング状の電極は、ポリシリコンガードリング3であり、その内側のリング状の電極は、トレンチゲート電極を外部に引き出すためのゲート配線4である。このゲート配線4は、ゲートメタル電極6に連結しており、ゲートメタル電極6の中央部には、ファイナルパッシベーション膜11(ポリイミド膜)に明けられたゲートパッド開口8である。ゲート配線4の内側には、チップ上面のほとんどを占有するソースメタル電極5があり、その外縁の少し内側には、セル領域9の外縁がある。ソースメタル電極5の中央部には、ファイナルパッシベーション膜11(ポリイミド膜)に開けられたソースパッド開口7がある。セル領域9は、同一周期の繰り返し構造であるので、その一部を切り取った部分、すなわち、セル領域切り出し部R1の拡大上面図を図2に示す。
First, the schematic structure of the
図2に示すように、セル領域9は、縦方向について、連続的な並進対象性(線形構造)を有しており、横方向に関しては、セル領域繰返し周期T1を周期(ゲートピッチ)とする並進対象性(繰り返し構造)を有している。線状のトレンチ22内には、線状のトレンチゲート電極12および線状のフィールドプレート電極20が設けられている。この線状のトレンチゲート電極12の両側には、線状のN+ソース領域14があり、一対の線状のトレンチゲート電極12の間には、P+ボディコンタクト領域15がある。このP+ボディコンタクト領域15の中央部に沿って、線状のコンタクト溝24が設けられている。
As shown in FIG. 2, the
次に、この図2のX−X’断面図である図3に基づいて、セル領域9の断面構造を説明する。図3に示すように、半導体基板1の裏面1b側には、N+シリコン単結晶基板領域1sがあり、半導体基板1の裏面1b上には、メタルドレイン電極としての裏面メタルドレイン電極13(半導体基板1に近い方から、たとえば、チタン層100nm/ニッケル層200nm/金層100nm)がある。N+シリコン単結晶基板領域1sの基板表面1a側にはN−ドリフト領域16(たとえば、シリコンエピタキシャル領域)があり、その上には、P型チャネル領域17(P−ボディ領域)がある。P−ボディ領域17の基板表面1a側には、N+ソース領域14があり、基板表面1a側から、このN+ソース領域14およびP−ボディ領域17を貫通して、N−ドリフト領域16の内部に至るトレンチ22がある。各トレンチ22内には、N+ポリシリコンフィールドプレート電極20(ゲートまたはゲート電位に接続されたフィールドプレート電極20g)があり、N+ポリシリコンフィールドプレート電極20の上方にはフィールドプレート−ゲート間絶縁膜29を介してN+トレンチゲート電極12がある。N+ポリシリコンフィールドプレート電極20の下方および側方周囲は、フィールドプレート周辺絶縁膜19で囲まれており、N+トレンチゲート電極12の両側面にはゲート絶縁膜18がある。N+トレンチゲート電極12の上側は、層間絶縁膜10でキャップされており、この層間絶縁膜10およびN+ソース領域14を貫通し、P型チャネル領域17の内部のP+ボディコンタクト領域15に至るコンタクト溝24がある。このコンタクト溝24の内面および層間絶縁膜10の上面には、たとえばTiW膜等のバリアメタル膜5bが形成されており、コンタクト溝24の内および層間絶縁膜10の上面には、比較的厚いアルミニウム系ソースメタル膜5aが形成されている。なお、コンタクト溝24には、タングステンプラグ34が埋め込まれている。
Next, the cross-sectional structure of the
ここで、図3におけるトレンチ間隔Wは、蓄積層電流の効果を享受するには、1.5マイクロメートル程度以下とすべきである。また、蓄積層電流の効果を十分に発揮させるためには、トレンチ間隔Wを、1.3マイクロメートル程度以下とすべきである。更に、蓄積層電流の効果を最大限に利用するためには、トレンチ間隔Wを、1.2マイクロメートル程度以下とすべきである。ここで、トレンチ間隔Wの下限値は、いずれの場合も、関連する他の技術との均衡の必要上、たとえば0.1マイクロメートル程度と考えられる(図26参照)。なお、この詳細はセクション3に説明する。
Here, the trench interval W in FIG. 3 should be about 1.5 micrometers or less in order to enjoy the effect of the accumulation layer current. Moreover, in order to fully exhibit the effect of the accumulation layer current, the trench interval W should be about 1.3 micrometers or less. Furthermore, in order to make maximum use of the effect of the accumulation layer current, the trench interval W should be about 1.2 micrometers or less. Here, in any case, the lower limit value of the trench interval W is considered to be, for example, about 0.1 micrometers in order to balance with other related technologies (see FIG. 26). Details of this will be described in
次に、N+トレンチゲート電極12nの外部への引き出し、およびN+ポリシリコンフィールドプレート電極20との接続を説明するために、図1のY’−Y断面(図4)およびY’’−Y断面(図5)を図4および図5に基づいて説明する。図4に示すように、フィールド絶縁膜25上に延在するN+ポリシリコンフィールドプレート電極20のセル外引き出し部上には、フィールドプレート−ゲート間絶縁膜29を介してN+トレンチゲート電極12のセル外引き出し部が形成されており、トレンチゲート電極−ゲート配線間接続部27を介して、(ソースメタル電極と同一層による)ゲート配線4と接続されている。一方、図5に示すように、N+ポリシリコンフィールドプレート電極20のセル外引き出し部とゲート配線4とは、フィールドプレート−ゲート配線間接続部28を介して相互に接続されている。その結果、N+ポリシリコンフィールドプレート電極20とN+トレンチゲート電極12とは、ゲート配線4を介して、間接的に電気的に接続されることとなる。
Next, in order to explain the extraction of the N + trench gate electrode 12n to the outside and the connection with the N + polysilicon
なお、図4または図5に示すように、チップ2の端部主面には、(ソース領域と同一のプロセスで作られた)最外周N+領域26があり、その内側に沿って、第2層ポリシリコンガードリング3がある。このポリシリコンガードリング3は、コーナ部アルミニウム系配線30(ゲート配線と同層)を介して最外周N+領域26と電気的に接続されている(なお、最外周N+領域26はドレイン電位と同電位にされている)。チップ2の第1の主面1aの内部領域は、ポリイミド膜等のファイナルパッシベーション膜11で被覆されている。
As shown in FIG. 4 or FIG. 5, the end principal surface of the
2.本願の一実施の形態のトレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETのウエハプロセスの主要部の説明(主に図6から図23)
図6は本願の一実施の形態のトレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETの図2のX−X’断面に対応するデバイス断面プロセスフロー図(トレンチ加工用ハードマスク膜パターニング工程)である。図7は本願の一実施の形態のトレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETの図2のX−X’断面に対応するデバイス断面プロセスフロー図(トレンチ加工工程)である。図8は本願の一実施の形態のトレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETの図2のX−X’断面に対応するデバイス断面プロセスフロー図(フィールドプレート周辺絶縁膜成膜工程)である。図9は本願の一実施の形態のトレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETの図2のX−X’断面に対応するデバイス断面プロセスフロー図(フィールドプレート電極用ポリシリコン膜成膜工程)である。図10は本願の一実施の形態のトレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETの図2のX−X’断面に対応するデバイス断面プロセスフロー図(フィールドプレート加工工程)である。図11は本願の一実施の形態のトレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETの図2のX−X’断面に対応するデバイス断面プロセスフロー図(フィールドプレート周辺絶縁膜エッチバック工程)である。図12は本願の一実施の形態のトレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETの図2のX−X’断面に対応するデバイス断面プロセスフロー図(ゲート絶縁膜成膜工程)である。図13は本願の一実施の形態のトレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETの図2のX−X’断面に対応するデバイス断面プロセスフロー図(ゲート電極用ポリシリコン膜成膜工程)である。図14は本願の一実施の形態のトレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETの図2のX−X’断面に対応するデバイス断面プロセスフロー図(ゲート電極パターニング工程)である。図15は本願の一実施の形態のトレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETの図2のX−X’断面に対応するデバイス断面プロセスフロー図(Nチャネル領域形成工程)である。図16は本願の一実施の形態のトレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETの図2のX−X’断面に対応するデバイス断面プロセスフロー図(N+ソース領域形成工程)である。図17は本願の一実施の形態のトレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETの図2のX−X’断面に対応するデバイス断面プロセスフロー図(層間絶縁膜成膜工程)である。図18は本願の一実施の形態のトレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETの図2のX−X’断面に対応するデバイス断面プロセスフロー図(コンタクトホール形成工程)である。図19は本願の一実施の形態のトレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETの図2のX−X’断面に対応するデバイス断面プロセスフロー図(コンタクトホール延長およびN+ボディコンタクト領域形成工程)である。図20は本願の一実施の形態のトレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETの図2のX−X’断面に対応するデバイス断面プロセスフロー図(バリアメタル膜成膜工程)である。図21は本願の一実施の形態のトレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETの図2のX−X’断面に対応するデバイス断面プロセスフロー図(アルミニウム系ソースメタル電極膜成膜工程)である。図22は本願の一実施の形態のトレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETの図2のX−X’断面に対応するデバイス断面プロセスフロー図(ポリイミド系ファイナルパッシベーション膜成膜工程)である。図23は本願の一実施の形態のトレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETの図2のX−X’断面に対応するデバイス断面プロセスフロー図(ゲートパッド開口およびソースパッド開口形成工程)である。これらに基づいて、本願の一実施の形態のトレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETのウエハプロセスの主要部を説明する。
2. Description of main part of wafer process of double gate type N-channel power MOSFET in trench according to one embodiment of the present application (mainly FIGS. 6 to 23)
6 is a device cross-sectional process flow diagram (trench processing hard mask film patterning step) corresponding to the XX ′ cross-section of FIG. 2 of the double-gate N-channel power MOSFET in the trench according to the embodiment of the present application. FIG. 7 is a device cross-sectional process flow diagram (trench processing step) corresponding to the XX ′ cross section of FIG. 2 of the double-gate N-channel power MOSFET in the trench according to the embodiment of the present application. FIG. 8 is a device sectional process flow diagram (field plate peripheral insulating film forming step) corresponding to the XX ′ section of FIG. 2 of the double gate type N-channel power MOSFET in the trench according to the embodiment of the present application. FIG. 9 is a device cross-sectional process flow diagram (polysilicon film forming step for field plate electrode) corresponding to the XX ′ cross-section of FIG. 2 of the double-gate N-channel power MOSFET in the trench according to the embodiment of the present application. . FIG. 10 is a device cross-sectional process flow diagram (field plate processing step) corresponding to the XX ′ cross-section of FIG. 2 of the double gate N-channel power MOSFET in the trench according to the embodiment of the present application. FIG. 11 is a device cross-sectional process flow diagram (field plate peripheral insulating film etch-back step) corresponding to the XX ′ cross-section of FIG. 2 of the double gate type N-channel power MOSFET in the trench according to the embodiment of the present application. FIG. 12 is a device cross-sectional process flow diagram (gate insulating film forming step) corresponding to the XX ′ cross-section of FIG. 2 of the double gate type N-channel power MOSFET in the trench according to the embodiment of the present application. FIG. 13 is a device cross-sectional process flow diagram (polysilicon film forming process for gate electrode) corresponding to the XX ′ cross section of FIG. 2 of the double gate type N-channel power MOSFET in the trench according to the embodiment of the present application. FIG. 14 is a device cross-sectional process flow diagram (gate electrode patterning step) corresponding to the XX ′ cross-section of FIG. 2 of the double gate type N-channel power MOSFET in the trench according to the embodiment of the present application. FIG. 15 is a device cross-sectional process flow diagram (N-channel region forming step) corresponding to the XX ′ cross-section of FIG. 2 of the double gate type N-channel power MOSFET in the trench according to the embodiment of the present application. FIG. 16 is a device cross-sectional process flow diagram (N + source region forming step) corresponding to the XX ′ cross section of FIG. 2 of the double gate type N-channel power MOSFET in the trench according to the embodiment of the present application. FIG. 17 is a device cross-sectional process flow diagram (interlayer insulating film forming step) corresponding to the XX ′ cross section of FIG. 2 of the double gate type N-channel power MOSFET in the trench according to the embodiment of the present application. 18 is a device cross-sectional process flow diagram (contact hole forming step) corresponding to the XX ′ cross-section of FIG. 2 of the double gate type N-channel power MOSFET in the trench according to the embodiment of the present application. FIG. 19 is a device cross-sectional process flow diagram (contact hole extension and N + body contact region forming step) corresponding to the XX ′ cross section of FIG. 2 of the double gate type N-channel power MOSFET in the trench according to the embodiment of the present application. . FIG. 20 is a device cross-sectional process flow diagram (barrier metal film forming step) corresponding to the XX ′ cross-section of FIG. 2 of the double gate type N-channel power MOSFET in the trench according to the embodiment of the present application. FIG. 21 is a device cross-sectional process flow diagram (aluminum-based source metal electrode film forming step) corresponding to the XX ′ cross-section of FIG. 2 of the double gate type N-channel power MOSFET in the trench according to the embodiment of the present application. FIG. 22 is a device cross-sectional process flow diagram (polyimide final passivation film formation step) corresponding to the XX ′ cross-section of FIG. 2 of the double gate type N-channel power MOSFET in the trench according to the embodiment of the present application. FIG. 23 is a device cross-sectional process flow diagram (gate pad opening and source pad opening forming step) corresponding to the XX ′ cross section of FIG. 2 of the double gate type N-channel power MOSFET in the trench according to the embodiment of the present application. Based on these, the main part of the wafer process of the double gate N-channel power MOSFET in the trench according to the embodiment of the present application will be described.
ここでは、200ファイの低抵抗のN+型シリコン単結晶ウエハ1s(シリコン系ウエハ)に高抵抗のN−型エピタキシャル層1e(エピタキシャル層の厚さは、たとえば、耐圧60ボルト程度の場合を例にとると、6.5マイクロメートル程度、比抵抗は、たとえば0.5Ωcm程度)を形成したN−型エピタキシャルウエハ1を原材料ウエハ(ウエハ厚は、たとえば500から900マイクロメータ程度)として使用する例を説明するが、ウエハの径は300ファイでも450ファイでも、その他でもよい。また、必要があれば、P型エピタキシャルウエハ、シリコン系以外の半導体ウエハ又は基板であってもよい。
Here, a 200 phi low resistance N + type silicon
まず、図6に示すように、ウエハ1のデバイス面1aのほぼ全面に、たとえば低圧CVD(Chemical Vapor Deposition)等により、たとえば、450nm程度の厚さの酸化シリコン膜21を成膜する。この酸化シリコン膜21をたとえば通常のリソグラフィによりパターニングすることにより、トレンチ加工用ハードマスク膜21とする。エッチングガス系としては、たとえばAr,C4F8,O2等の混合ガス系統を好適なものとして例示することができる。
First, as shown in FIG. 6, a
次に、図7に示すように、トレンチ加工用ハードマスク膜21を用いて、異方性ドライエッチングにより、たとえば深さ3マイクロメートル程度のトレンチ22を形成する。エッチングガス系としては、たとえばCl2,O2系、HBr系等のガス系統を好適なものとして例示することができる。
Next, as shown in FIG. 7, using the trench processing
次に、図8に示すように、トレンチ22の内面及びウエハ1のデバイス面1aに、たとえば、熱酸化により、フィールドプレート周辺絶縁膜19となるべき酸化シリコン膜(たとえば厚さ200nm程度)を形成する。
Next, as shown in FIG. 8, a silicon oxide film (for example, a thickness of about 200 nm) to be the field plate peripheral insulating
次に、図9に示すように、トレンチ22内およびウエハ1のデバイス面1aのほぼ全面に、たとえばCVD等により、フィールドプレート電極20となるべき、たとえば厚さ600nm程度の高濃度リンドープポリシリコン層(第1層のポリシリコン膜)を形成する。
Next, as shown in FIG. 9, highly concentrated phosphorus-doped polysilicon having a thickness of, for example, about 600 nm, which is to become the
次に、図10に示すように、たとえば、SF6等のエッチングガスを用いたドライエッチングによって、高濃度リンドープポリシリコン層20をシリコンの主表面から、たとえば1.4マイクロメートル程度、エッチバックする。
Next, as shown in FIG. 10, the high concentration phosphorus-doped
次に、図11に示すように、たとえば、弗酸系の酸化シリコンエッチング液等により、ウエットエッチングすることにより、フィールドプレート電極20の上端部38およびトレンチ22のSi側壁が露出する程度まで、フィールドプレート周辺絶縁膜19を除去する。
Next, as shown in FIG. 11, for example, wet etching is performed using a hydrofluoric acid-based silicon oxide etching solution or the like, so that the
次に、図12に示すように、たとえば、熱酸化等により、厚さ50nm程度のゲート絶縁膜18(酸化シリコン膜)を形成する。なお、このとき同時に、フィールドプレート−ゲート間絶縁膜29(厚さ100nm程度)が形成される。 Next, as shown in FIG. 12, a gate insulating film 18 (silicon oxide film) having a thickness of about 50 nm is formed by, eg, thermal oxidation. At the same time, a field plate-gate insulating film 29 (about 100 nm thick) is formed.
次に、図13に示すように、トレンチ22内およびウエハ1のデバイス面1aのほぼ全面に、たとえばCVD等により、N+トレンチゲート電極12(トレンチゲートポリシリコン層)となるべき、たとえば厚さ600nm程度の高濃度リンドープポリシリコン層(第2層のポリシリコン膜)を形成する。
Next, as shown in FIG. 13, the N + trench gate electrode 12 (trench gate polysilicon layer), for example, having a thickness of 600 nm is to be formed in the
次に、図14に示すように、たとえば、SF6等のエッチングガスを用いたドライエッチングによって、高濃度リンドープポリシリコン層12をシリコンの主表面を露出するようにエッチバックする。
Next, as shown in FIG. 14, the high concentration phosphorus-doped
次に、図15に示すように、たとえば、熱酸化等により、ウエハ1のデバイス面1a側をチャネル注入用酸化シリコン膜23で被覆する。続いて、セル領域9の全面にボロンイオンをイオン注入することによって、P型チャネル領域17(P−ボディ領域)を形成する。イオン注入の条件としては、たとえば、イオン種:ボロン、打ち込みエネルギ:50keVから100keV程度,濃度:8x1012/cm2から3x1013/cm2程度を例示することができる。この後、不要となった熱酸化23を除去する。
Next, as shown in FIG. 15, the
次に、図16に示すように、セル領域9の全面にN型不純物をイオン注入することによって、N+ソース領域14を形成する。イオン注入の条件としては、たとえば、イオン種:砒素、打ち込みエネルギ:50keV〜150keV程度,濃度:2x1015〜9x1015/cm2程度を例示することができる。
Next, as shown in FIG. 16, an N +
次に、図17に示すように、ウエハ1のデバイス面1aのほぼ全面に、層間絶縁膜10を形成する。層間絶縁膜10としては、たとえば、PSG(Phospho−Silicate Glass)膜(たとえば、厚さ250から450nm程度)からなる絶縁膜を好適なものとして例示することができる。たとえば、PSG膜等の上層にその他の絶縁膜(たとえば酸化シリコン系SOG膜)を重ねてもよい。
Next, as shown in FIG. 17, an
次に、図18に示すように、通常のリソグラフィによって、ウエハ1のデバイス面1a上に、レジスト膜等の対エッチングマスクパターンを形成し、それをマスクとして、異方性ドライエッチングを実行することによって、コンタクトホール24(コンタクト溝)を開口する。
Next, as shown in FIG. 18, an anti-etching mask pattern such as a resist film is formed on the
次に、図19に示すように、異方性ドライエッチングにより、コンタクト溝24をN+ソース領域14より深いところまで延長する(たとえば、深さ0.35マイクロメートル程度)。続いて、延長したコンタクト溝24の底にP型不純物をイオン注入して、自己整合的にP+ボディコンタクト領域15を形成する。イオン注入の条件としては、たとえば、イオン種:BF2、打ち込みエネルギ:20から50keV程度,濃度:1x1015〜8x1015/cm2程度を例示することができる。
Next, as shown in FIG. 19, the
次に、図20に示すように、たとえばスパッタリング成膜により、前記コンタクト溝24の内面、およびウエハ1のデバイス面1aのほぼ全面に、たとえば、下層のTi膜(たとえば、厚さ40nm程度)および上層のTiN膜(たとえば、厚さ100nm程度)等からなるバリアメタル膜5bを形成する。バリアメタル膜としては、ここに示したTi/TiN系のほか、TiWその他が好適なものとして例示することができる。
Next, as shown in FIG. 20, for example, a lower Ti film (for example, about 40 nm in thickness) and an inner surface of the
次に、図21に示すように、ウエハ1のデバイス面1aのほぼ全面に、CVDにより、タングステン膜((たとえば、厚さ300nm程度))を成膜する。続いて、ドライエッチングにより、タングステン膜をエッチバックして、コンタクト溝24(図20参照)内のタングステン膜を残して、タングステンプラグ34とする。
Next, as shown in FIG. 21, a tungsten film (for example, a thickness of about 300 nm) is formed on almost the
次に、たとえばスパッタリング成膜により、前記コンタクト溝24の内面、およびウエハ1のデバイス面1aのほぼ全面に、たとえば、アルミニウムを主要な成分とする(たとえば、数%シリコン添加、残りはアルミニウム)アルミニウム系ソースメタル膜5a(たとえば、厚さ3.5から5.5マイクロメートル程度)を形成する。続いて、通常のリソグラフィによって、アルミニウム系ソースメタル膜5aおよびバリアメタル膜5bからなるソースメタル電極5をパターニングする。
Next, for example, by sputtering film formation, aluminum is a main component (for example, several percent silicon added, the rest is aluminum) on the inner surface of the
次に、図22に示すように、ファイナルパッシベーション膜11として、たとえば、ポリイミドを主要な成分とする有機膜(たとえば、厚さ2.5マイクロメートル程度)等をウエハ1のデバイス面1aのほぼ全面に塗布する。
Next, as shown in FIG. 22, as the
次に、図23に示すように、通常のリソグラフィによって、図1のソースパッド開口7、ゲートパッド開口8、および、図4、図5等に示すチップ2の周辺部のファイナルパッシベーション膜11を除去する。
Next, as shown in FIG. 23, the
次に、図3に示すように、ウエハ1の裏面1bに対して、バックグラインディング処理を施すことによって、たとえば、500から900マイクロメータ程度のウエハ厚を必要により、たとえば300から30マイクロメータ程度に薄膜化する。その後、裏面電極13を、たとえばスパッタリング成膜により、形成する。更に、ダイシング等により、ウエハ1を個々のチップ2に分割する。
Next, as shown in FIG. 3, a back grinding process is performed on the
3.本願の一実施の形態のトレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFET(ゲート接続型)の詳細説明(主に図24から図31)
このセクションの説明は、先行するセクションに説明した事項に対する補足的説明であり、図3のデバイス構造の更に詳細な説明を中心にそのメカニズム等を説明する。以下では、先行するセクションと同様に、ソースドレイン耐圧が60ボルト程度のデバイスを中心に例をとり具体的に説明する。
3. Detailed description of an in-trench double gate type N-channel power MOSFET (gate connection type) according to an embodiment of the present application (mainly FIGS. 24 to 31)
The explanation in this section is a supplementary explanation to the matters explained in the preceding section, and its mechanism and the like will be explained focusing on a more detailed explanation of the device structure in FIG. In the following, as in the preceding section, a specific description will be given by taking an example centering on a device having a source-drain breakdown voltage of about 60 volts.
図24は図3に対応するデバイス断面の更に詳しい構造を示す詳細断面図である。図25は本願の一実施の形態のトレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETにおけるオン抵抗のセルピッチ依存性を示すデータプロット図である。図26は本願の一実施の形態のトレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETにおけるオン抵抗のトレンチ間隔依存性を示すデータプロット図である。図27は比較例であるソース接続型トレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETのセル部分の電子密度分布のシミュレーション結果である。図28は本願の一実施の形態のゲート接続型トレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETのセル部分の電子密度分布のシミュレーション結果である。図29は比較例であるソース接続型トレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETのセル部分の電流密度分布のシミュレーション結果である。図30は本願の一実施の形態のゲート接続型トレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETのセル部分の電流密度分布のシミュレーション結果である。図31は比較例であるソース接続型および本願の一実施の形態のゲート接続型トレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETのセル部分におけるゲートソース間電流のゲートソース間電圧依存性を示すデータプロット図である。これらに基づいて、本願の一実施の形態のトレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETの詳細を説明する。 FIG. 24 is a detailed sectional view showing a more detailed structure of the device section corresponding to FIG. FIG. 25 is a data plot diagram showing the cell pitch dependence of the on-resistance in the in-trench double gate N-channel power MOSFET according to the embodiment of the present application. FIG. 26 is a data plot diagram showing the dependency of on-resistance on the trench spacing in the double-gate N-channel power MOSFET in the trench according to the embodiment of the present application. FIG. 27 shows the simulation result of the electron density distribution in the cell portion of the double-gate N-channel power MOSFET in the source-connected trench as a comparative example. FIG. 28 shows the simulation result of the electron density distribution in the cell portion of the double-gate type N-channel power MOSFET in the gate connection type trench according to the embodiment of the present application. FIG. 29 shows a simulation result of the current density distribution in the cell portion of the double-gate N-channel power MOSFET in the source-connected trench as a comparative example. FIG. 30 is a simulation result of the current density distribution in the cell portion of the double-gate N-channel power MOSFET in the gate-connected trench according to the embodiment of the present application. FIG. 31 is a data plot diagram showing the gate-source voltage dependency of the gate-source current in the cell portion of the double-gate N-channel power MOSFET in the gate-connected trench in the gate-connected trench according to the embodiment of the present invention as a comparative example. It is. Based on these, the details of the double gate type N-channel power MOSFET in the trench according to the embodiment of the present application will be described.
図24に図3に対応するセル部の詳細形状並びに典型的な主要寸法を例示する。図24に示すように、この例では、セル領域繰返し周期T1(セルピッチ)は、たとえば、1.5マイクロメートル程度であり、トレンチ深さTDは、たとえば、3マイクロメートル程度であり、トレンチ幅TWは、たとえば、0.75マイクロメートル程度であり、トレンチ間隔Wは、たとえば、0.75マイクロメートル程度である。このトレンチ深さTDに占めるゲート深さGD(真性ゲート深さ)は、たとえば、1.6マイクロメートル程度であり、ゲート幅GWは、たとえば、0.65マイクロメートル程度である。コンタクト幅CWは、たとえば、0.3マイクロメートル程度であり、コンタクトトレンチ間隔CTは、たとえば、0.2マイクロメートル程度である。また、先にも説明したように、バックグラインディング後のウエハまたはチップ厚さWTは、たとえば、30から300マイクロメートル程度であり、エピタキシャル層の厚さETは、たとえば、6.5マイクロメートル程度である。更に、フィールドプレート幅PWは、たとえば、0.15マイクロメートル程度であり、トレンチテーパ角θは、たとえば、89度から90度程度である。ゲート絶縁膜厚GT(第2の絶縁膜の膜厚)は、たとえば、0.05マイクロメートル(50nm)程度であり、フィールドプレート絶縁膜厚PT(第1の絶縁膜の膜厚)は、これよりも厚く、たとえば、0.2マイクロメートル程度であり、フィールドプレート幅PWたとえば、0.15マイクロメートル程度である。 FIG. 24 illustrates a detailed shape and typical main dimensions of the cell portion corresponding to FIG. As shown in FIG. 24, in this example, the cell region repetition period T1 (cell pitch) is, for example, about 1.5 micrometers, the trench depth TD is, for example, about 3 micrometers, and the trench width TW. Is, for example, about 0.75 micrometers, and the trench interval W is, for example, about 0.75 micrometers. The gate depth GD (intrinsic gate depth) occupying the trench depth TD is, for example, about 1.6 micrometers, and the gate width GW is, for example, about 0.65 micrometers. The contact width CW is, for example, about 0.3 micrometers, and the contact trench interval CT is, for example, about 0.2 micrometers. Further, as described above, the wafer or chip thickness WT after back grinding is, for example, about 30 to 300 micrometers, and the thickness ET of the epitaxial layer is, for example, about 6.5 micrometers. It is. Further, the field plate width PW is, for example, about 0.15 micrometers, and the trench taper angle θ is, for example, about 89 to 90 degrees. The gate insulating film thickness GT (film thickness of the second insulating film) is, for example, about 0.05 micrometers (50 nm), and the field plate insulating film thickness PT (film thickness of the first insulating film) is It is thicker, for example, about 0.2 micrometers, and the field plate width PW is, for example, about 0.15 micrometers.
図24からわかるように、フィールドプレート電極の上端部38は、微細化のため先鋭化する傾向にあるが、この例では、(ゲート絶縁膜と同層の、または同一の工程で形成される)フィールドプレート−ゲート間絶縁膜(第2の絶縁膜)29は、ゲート絶縁膜18と同程度の厚さか、若干厚い程度であり、フィールドプレート周辺絶縁膜(第1の絶縁膜)19よりも、相当程度薄い。しかし、フィールドプレート電極20(20g)が実質的に同電位にされているので、ソース接続型のように、フィールドプレート電極20とゲート電極12間で、絶縁破壊等によるリークが問題になることはない。
As can be seen from FIG. 24, the
次に、トレンチ間の電流通路(主にドリフト領域)の狭隘化(トレンチ間隔Wの狭隘化)により、オン抵抗特性の挙動を説明する。図25は、ゲート接続型のトレンチ内ダブルゲート型パワーMOSFETのオン抵抗特性のセルピッチ依存性を示したものである。ここで、オン抵抗値は、セル部が同一構造のソース接続型のトレンチ内ダブルゲート型パワーMOSFETのオン抵抗によって規格化したものである。図25において、セルピッチが、2マイクロメートル以下の領域では、ゲート接続型のトレンチ内ダブルゲート型パワーMOSFETでは、デバイスの微細化による総ゲート幅の増大によるオン抵抗値の減少の効果が、ソース接続型のトレンチ内ダブルゲート型パワーMOSFETよりも、はるかに大きくなっているように見える。これは、ゲート接続型のトレンチ内ダブルゲート型パワーMOSFETでは、ドリフト領域の両側のトレンチとの界面に沿って、蓄積層(電子濃度の高い層)が形成されるためと考えられる。すなわち、この蓄積層を流れる蓄積層電流が、急速に支配的になってゆくため、グラフの線の傾きが急に大きくなるものと推測される。 Next, the behavior of the on-resistance characteristics will be described by narrowing the current path (mainly the drift region) between the trenches (narrowing the trench interval W). FIG. 25 shows the cell pitch dependence of the on-resistance characteristics of a gate-connected in-trench double gate type power MOSFET. Here, the on-resistance value is normalized by the on-resistance of the source-connected double gate type power MOSFET in the trench having the same cell structure. In FIG. 25, in the region where the cell pitch is 2 micrometers or less, in the gate-connected in-trench double gate type power MOSFET, the effect of decreasing the on-resistance due to the increase in the total gate width due to the miniaturization of the device is It appears to be much larger than the double-gate power MOSFET in the trench. This is presumably because in the gate-connected in-trench double gate power MOSFET, an accumulation layer (a layer having a high electron concentration) is formed along the interface with the trench on both sides of the drift region. That is, it is presumed that the slope of the graph line suddenly increases because the storage layer current flowing through this storage layer becomes dominant rapidly.
ここで、セルピッチT1というパラメータは、セルの具体的な構造に依存する物理量であり、より本質的なパラメータ、すなわち、トレンチ間隔W(正確には、真性ゲート電極下端部近傍でのトレンチ間隔)を横軸にとって、図25を書き直したのが、図26である。図26からわかるように、トレンチ間隔Wが1.5マイクロメートル(蓄積層電流の効果が顕著になり始めるトレンチ間隔上限W1)以下では、グラフの線の傾きが急速に急勾配となる。この傾向は、トレンチ間隔Wが1.3マイクロメートル(蓄積層電流の効果が支配的になり始めるトレンチ間隔上限W2)以下では、更に顕著になり、トレンチ間隔Wが1.2マイクロメートル(蓄積層電流の効果が支配的になるトレンチ間隔上限W3)以下では、ほぼ急峻な加工直線に収束する。 Here, the parameter of the cell pitch T1 is a physical quantity that depends on the specific structure of the cell, and a more essential parameter, that is, the trench interval W (more precisely, the trench interval near the lower end of the intrinsic gate electrode). FIG. 26 is a rewrite of FIG. 25 for the horizontal axis. As can be seen from FIG. 26, when the trench spacing W is 1.5 micrometers (the trench spacing upper limit W1 at which the effect of the accumulation layer current starts to become noticeable) or less, the slope of the graph line rapidly becomes steep. This tendency becomes more conspicuous when the trench interval W is 1.3 micrometers (the upper limit of the trench interval W2 at which the effect of the accumulation layer current starts to become dominant) or less, and the trench interval W is 1.2 micrometers (the accumulation layer). Below the upper limit of the trench interval W3) where the effect of current is dominant, it converges to a substantially steep processing line.
従来の認識からすると、単一のセルのみで考えると、単に微細化したのみでは、トレンチ間の電流通路狭隘化によるオン抵抗の増加を招くだけであるため、通常、デバイスの微細化のみでなく、セルの総面積をほぼ一定にして総ゲート幅を増加させることにより、全体として、オン抵抗の低減を実現している。しかし、前記のように、ゲート接続型のトレンチ内ダブルゲート型パワーMOSFETでは、蓄積層の効果によって、電流通路狭隘化による影響をほとんど受けないため、実用的に利用可能なリソグラフィの限界まで、トレンチ間隔Wを一気に微細化することが有効となる。このことは、一様なスケーリングによる微細化のみでなく、他の部分は、ほぼそのままで、トレンチ間隔W及び、それに関係する部分の寸法のみを縮小することを含む。 From the conventional recognition, if only a single cell is considered, simply miniaturizing will cause an increase in on-resistance due to narrowing of the current path between the trenches. As a whole, the on-resistance is reduced by increasing the total gate width while keeping the total area of the cells substantially constant. However, as described above, the double gate type power MOSFET in the gate connection type trench is hardly affected by the narrowing of the current path due to the effect of the accumulation layer. It is effective to reduce the interval W at once. This includes not only miniaturization by uniform scaling, but also reducing only the trench interval W and the dimensions of the related parts, while leaving the other parts almost the same.
以上の点を更に詳しく説明する。図27は、比較例である同一構造のソース接続型のトレンチ内ダブルゲート型パワーMOSFETのセル部分の電子密度分布のシミュレーション結果である。図27に電子密度が大きい領域31、電子密度が中程度の領域32、および電子密度が小さい領域33が示されているが、電子密度が大きい領域31が、チャネル領域及びN+トレンチゲート電極12の下端部より若干下あたりで途切れているのがわかる。
The above points will be described in more detail. FIG. 27 is a simulation result of the electron density distribution in the cell portion of the source-connected double gate type power MOSFET in the trench having the same structure as the comparative example. FIG. 27 shows a
一方、本願の一実施の形態のゲート接続型のトレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETのセル部分の電子密度分布のシミュレーション結果をみると、図28に示すように、電子密度が大きい領域31がチャネル領域及びトレンチ周辺全体にわたり、相当の厚みを持って形成されていることがわかる。 On the other hand, when the simulation result of the electron density distribution in the cell portion of the gate-connected in-trench double-gate N-channel power MOSFET according to the embodiment of the present application is seen, as shown in FIG. It can be seen that the channel region and the entire periphery of the trench are formed with a considerable thickness.
次に、図29に図27に対応するセル部分の電流密度分布のシミュレーション結果を示す。図29に電流密度が大きい領域35、電流密度が中程度の領域36、および電流密度が小さい領域37が示されているが、これより、ソース接続型のトレンチ内ダブルゲート型パワーMOSFETにおいては、蓄積層電流は、きわめて一部であり、支配的な電流は、抵抗の高いドリフト領域(エピタキシャル領域)を分散して流れるバルク電流が担っていることがわかる。
Next, FIG. 29 shows a simulation result of the current density distribution of the cell portion corresponding to FIG. FIG. 29 shows a
一方、図30に示すように、本願の一実施の形態のゲート接続型のトレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETにおいては、支配的な電流経路は、チャネル領域および、それに続くトレンチとの界面に形成された蓄積層を介した蓄積層電流通路からなる低抵抗電流経路となっていることがわかる。従って、本願の一実施の形態のゲート接続型のトレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETにおいては、全体の電流通路に対する寄与の低いトレンチ間のエピタキシャル領域の幅、すなわち、トレンチ間隔Wを極端に狭小化しても、オン抵抗は、電流通路狭隘化の影響を受けにくい。また、ゲート接続型のトレンチ内ダブルゲート型パワーMOSFETにおいて、とくにソースドレイン耐圧の低い製品群では、トレンチ深さに対してエピタキシャル層の厚さはそれほど厚くないため、この蓄積層の効果により、エピタキシャル層の濃度を薄くしても、オン抵抗は高くなりにくい。 On the other hand, as shown in FIG. 30, in the gate-connected in-trench double-gate N-channel power MOSFET according to one embodiment of the present application, the dominant current path is at the channel region and the subsequent interface with the trench. It can be seen that the current path is a low-resistance current path composed of a storage layer current path through the formed storage layer. Therefore, in the gate-connected in-trench double-gate N-channel power MOSFET according to the embodiment of the present application, the width of the epitaxial region between trenches having a low contribution to the entire current path, that is, the trench interval W is extremely narrow. However, the on-resistance is not easily affected by the narrowing of the current path. Also, in the gate-connected double gate type power MOSFET in the trench, particularly in a product group with a low source-drain breakdown voltage, the epitaxial layer is not so thick with respect to the trench depth. Even if the layer concentration is reduced, the on-resistance is unlikely to increase.
次に、ゲート接続型とすることによるその他のメリットを説明する。図31は、比較例である同一構造のソース接続型のトレンチ内ダブルゲート型パワーMOSFETおよび本願の一実施の形態のゲート接続型のトレンチ内ダブルゲート型NチャネルパワーMOSFETのゲートソース間耐圧特性の実測値を示したものである。図31(図24参照)からわかるように、ソース接続型では、ゲート電極12とフィールドプレート電極20s(図27又は図29)が別電位であるため、ゲートソース間耐圧が20ボルト以下(破線矢印参照)となっている。
Next, other advantages of the gate connection type will be described. FIG. 31 shows the gate-source breakdown voltage characteristics of the source connection type in-trench double gate power MOSFET of the same structure as the comparative example and the gate connection type in-trench double gate N-channel power MOSFET according to the embodiment of the present application. The measured value is shown. As can be seen from FIG. 31 (see FIG. 24), in the source connection type, the
一方、ゲート接続型では、ゲート電極12とフィールドプレート電極20g(図28又は図30)が同電位であるため、ゲートソース間耐圧が20ボルト以上(実線矢印参照)となっている。これは、トレンチ内ダブルゲート型パワーMOSFETの共通の問題として、図24に示したように、プロセス上の理由から、フィールドプレート−ゲート間絶縁膜29を厚くすることが困難であるにもかかわらず、フィールドプレート電極20gの上端部38が先鋭的となる傾向が強い点に起因している。すなわち、上端部38が先鋭的となることから、ゲート電極12とフィールドプレート電極20sが別電位である場合には、この部分でゲートソース間耐圧の劣化を招いている。
On the other hand, in the gate connection type, since the
4.サマリ
以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。
4). Summary The invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiments. However, the present invention is not limited thereto, and it goes without saying that various changes can be made without departing from the scope of the invention.
例えば、前記実施の形態では、Nチャネル型デバイスを例にとり具体的に説明したが、本願発明はそれに限定されるものではなく、これに対応するPチャネル型デバイスにも適用することができることは言うまでもない。 For example, in the above-described embodiment, an N channel type device has been specifically described as an example. However, the present invention is not limited thereto, and it goes without saying that the present invention can also be applied to a corresponding P channel type device. Yes.
また、前記実施の形態では、各層のポリシリコン部材として、ドープトポリシリコン(Doped Poly−silicon)等を用いた例を具体的に説明したが、本願発明はそれに限定されるものではなく、両方又は一方に、ノンドープポリシリコン(Nondoped Poly−silicon)膜を適用して、成膜後にイオン注入等により、必要な不純物を添加するようにしてもよい。この場合は、ノンドープポリシリコンを利用してESD保護用のポリシリコンダイオードをオプションデバイスとして形成するなど、プロセス自由度を高めることができるが、反面、プロセスコストは高くなる。一方、ドープトポリシリコンを使用すると、プロセス自由度は若干犠牲になるが、比較的簡単に低抵抗のポリシリコン層を形成することができる。 Moreover, in the said embodiment, although the example using doped polysilicon (Doped Poly-silicon) etc. was specifically demonstrated as a polysilicon member of each layer, this invention is not limited to it, both Alternatively, a non-doped polysilicon (Nondoped Poly-silicon) film may be applied, and necessary impurities may be added by ion implantation after the film formation. In this case, the degree of freedom in the process can be increased, for example, by forming a polysilicon diode for ESD protection as an optional device using non-doped polysilicon, but the process cost is increased. On the other hand, when doped polysilicon is used, the degree of process freedom is sacrificed somewhat, but a low-resistance polysilicon layer can be formed relatively easily.
例えば、前記実施の形態では、トレンチ内ダブルゲート構造のパワーMOSFETについて説明したが、本発明は、例えば、トレンチ内ダブルゲート構造のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)にも適用することができる。 For example, in the above-described embodiment, the power MOSFET having the double gate structure in the trench has been described. However, the present invention can also be applied to, for example, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) having the double gate structure in the trench.
1 半導体基板(半導体ウエハ)
1a チップ又はウエハの表面
1b チップ又はウエハの裏面
1e N−シリコンエピタキシャル領域
1s N+シリコン単結晶基板領域
2 半導体チップ
3 ガードリング(第2層ポリシリコンガードリング)
4 (ソースメタル電極と同一層による)ゲート配線
5 ソースメタル電極
5a アルミニウム系ソースメタル膜
5b バリアメタル膜
6 ゲートメタル電極
7 ソースパッド開口
8 ゲートパッド開口
9 セル領域
10 層間絶縁膜
11 ファイナルパッシベーション膜(ポリイミド膜)
12 N+トレンチゲート電極
13 裏面メタルドレイン電極
14 N+ソース領域
15 P+ボディコンタクト領域
16 N−ドリフト領域
17 P型チャネル領域(P型ボディ領域)
18 ゲート絶縁膜(第2の絶縁膜)
19 フィールドプレート周辺絶縁膜(第1の絶縁膜)
20 フィールドプレート電極
20g ゲート電位に接続されたフィールドプレート電極
20s ソース電位に接続されたフィールドプレート電極
21 トレンチ加工用ハードマスク膜
22 トレンチ
23 チャネル注入用酸化シリコン膜
24 コンタクトホール(コンタクト溝)
25 フィールド絶縁膜
26 (ソース領域に対応する)最外周N+領域
27 トレンチゲート電極−ゲート配線間接続部
28 フィールドプレート−ゲート配線間接続部
29 (ゲート絶縁膜と同層の)フィールドプレート−ゲート間絶縁膜(第2の絶縁膜)
30 コーナ部アルミニウム系配線
31 電子密度が大きい領域
32 電子密度が中程度の領域
33 電子密度が小さい領域
34 タングステンプラグ
35 電流密度が大きい領域
36 電流密度が中程度の領域
37 電流密度が小さい領域
38 フィールドプレート電極の上端部
CT コンタクトトレンチ間隔
CW コンタクト幅
ET エピタキシャル層の厚さ
GD ゲート深さ
GT ゲート絶縁膜厚
GW ゲート幅
PT フィールドプレート絶縁膜厚
PW フィールドプレート幅
R1 セル領域切り出し部
T1 セル領域繰返し周期
TD トレンチ深さ
TW トレンチ幅
W トレンチ間隔
W1 蓄積層電流の効果が顕著になり始めるトレンチ間隔上限
W2 蓄積層電流の効果が支配的になり始めるトレンチ間隔上限
W3 蓄積層電流の効果が支配的になるトレンチ間隔上限
WT バックグラインディング後のウエハまたはチップ厚さ
θ トレンチの側壁の水平面と成す角度(トレンチテーパ角)
1 Semiconductor substrate (semiconductor wafer)
DESCRIPTION OF
4 Gate wiring (by the same layer as the source metal electrode) 5
12 N +
18 Gate insulating film (second insulating film)
19 Field plate peripheral insulating film (first insulating film)
20
25
30 Corner part aluminum-based
Claims (12)
(a)一主面を有するシリコン系半導体基板;
(b)前記第1の主面に設けられた多数の線状トレンチ、
ここで、各線状トレンチは、以下を有する:
(b1)ポリシリコン線状フィールドプレート電極;
(b2)前記ポリシリコン線状フィールドプレート電極に沿って、その上方に設けられたポリシリコン線状ゲート電極、
更に、ここで、
(1)前記ポリシリコン線状フィールドプレート電極は、前記ポリシリコン線状ゲート電極とほぼ同じ電位に接続されており、
(2)前記多数の線状トレンチの隣接する各線状トレンチの間隔は、1.5マイクロメートル以下であって0.1マイクロメートル以上である。 Power MOSFET including:
(A) a silicon-based semiconductor substrate having one principal surface;
(B) a number of linear trenches provided in the first main surface;
Here, each linear trench has:
(B1) polysilicon linear field plate electrode;
(B2) A polysilicon linear gate electrode provided above the polysilicon linear field plate electrode,
Furthermore, where
(1) The polysilicon linear field plate electrode is connected to substantially the same potential as the polysilicon linear gate electrode,
(2) An interval between adjacent linear trenches of the multiple linear trenches is 1.5 micrometers or less and 0.1 micrometers or more.
(a)一主面を有するシリコン系半導体基板を準備する工程;
(b)前記第1の主面に多数の線状トレンチを形成する工程;
(c)各線状トレンチの内面を第1の絶縁膜で被覆する工程;
(d)前記第1の絶縁膜で被覆された各線状トレンチ内にフィールドプレート電極となるべき第1のポリシリコン電極を埋め込む工程;
(e)各線状トレンチ内において、その上半部内面の前記第1の絶縁膜を除去することによって、前記上半部内面および前記第1のポリシリコン電極の上端部を露出させる工程;
(f)露出された前記上半部内面および前記第1のポリシリコン電極の前記上端部を第2の絶縁膜で被覆する工程;
(g)前記工程(f)の後、各線状トレンチの前記上半部に、前記第1の絶縁膜よりも薄く、ゲート電極となるべき第2のポリシリコン電極を埋め込む工程、
ここで、
(1)前記フィールドプレート電極は、前記ゲート電極とほぼ同じ電位に接続されるようになっており;
(2)前記多数の線状トレンチの各隣接線状トレンチ間の間隔は、1.5マイクロメートル以下であって0.1マイクロメートル以上である。 A power MOSFET manufacturing method including the following steps:
(A) a step of preparing a silicon-based semiconductor substrate having one principal surface;
(B) forming a large number of linear trenches on the first main surface;
(C) coating the inner surface of each linear trench with a first insulating film;
(D) burying a first polysilicon electrode to be a field plate electrode in each linear trench covered with the first insulating film;
(E) in each linear trench, removing the first insulating film on the inner surface of the upper half to expose the upper surface of the upper half and the upper end of the first polysilicon electrode;
(F) a step of covering the exposed inner surface of the upper half portion and the upper end portion of the first polysilicon electrode with a second insulating film;
(G) After the step (f), a step of embedding a second polysilicon electrode which is thinner than the first insulating film and is to become a gate electrode in the upper half of each linear trench;
here,
(1) The field plate electrode is connected to substantially the same potential as the gate electrode;
(2) The spacing between adjacent linear trenches of the multiple linear trenches is 1.5 micrometers or less and 0.1 micrometers or more.
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