JP2011258773A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体装置1は、ソース領域4を貫通してチャネル領域5に達するソースコンタクト溝内に埋め込まれたソースメタルと、ソース領域4およびチャネル領域5を貫通してドレイン領域6に達するように形成されたゲートトレンチ7の側壁に形成されたゲート絶縁膜8とを含む。半導体装置1は、さらに、ソース領域4の表面以下に全部が位置するようにゲートトレンチ7内に埋め込まれたポリシリコンゲート10と、チャネル領域5の深さに達するようにポリシリコンゲート10に形成されたゲートコンタクト溝21内に埋め込まれ、ポリシリコンゲート10に接するゲートメタル14,22,162とを含む。
【選択図】図4
Description
ところが、トレンチの開口縁では、ゲート絶縁膜は半導体基板の法線方向から半導体基板の主面に沿う方向へと折れ曲がっている。この折曲部分では、ゲート絶縁膜の膜厚がその他の部分よりも薄くなる。そのため、トレンチの開口縁では、薄いゲート絶縁膜を挟んで、半導体基板とポリシリコンゲートとが対向している。しかも、トレンチの開口縁には、半導体基板のエッジが位置しているから、電界が集中しやすい。そのため、トレンチの開口縁において、ゲート絶縁膜の絶縁破壊が生じやすい。
この構造の製造工程では、半導体基板を覆う層間絶縁膜に形成されるゲートコンタクト孔は、トレンチ内に対応する領域に形成されることになる。ゲート電極は、ゲートコンタクト孔を介してポリシリコンゲートに接するように形成される。さらに、前記層間絶縁膜に、トレンチ外の領域でソースコンタクト孔が形成される。ソース電極は、ソースコンタクト孔を介してソース領域に接するように形成される。ソース電極はチャネル領域にも接する必要がある。そこで、ソースコンタクト孔は、ソース領域を貫通してチャネル領域に達するように半導体基板をエッチングして形成されることになる。
前記半導体装置は、MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)電界効果トランジスタであってもよいし、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であってもよい。
前記ゲートメタルは、たとえば、前記ゲートコンタクト溝の内壁面を覆う下地金属膜と、この下地金属膜に接するように前記ゲートコンタクト溝に埋め込まれた本体部とを含む(請求項5)。
また、前記分離領域は、所定方向に沿う直線状領域であってもよい(請求項10)。たとえば、分離領域は、前記結合ゲートトレンチと平行に形成されていてもよい。
この発明は、また、半導体基板の厚さ方向に沿って装置表面側から順に配置されたソース領域、チャネル領域およびドレイン領域を有する半導体装置の製造方法を提供する。この製造方法は、前記ソース領域および前記チャネル領域を貫通して前記ドレイン領域に達するようにゲートトレンチを形成する工程と、前記ゲートトレンチの側壁にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜において少なくとも前記チャネル領域に対向する領域を覆い、かつ、前記ソース領域の表面(半導体層の表面)以下に全部が位置するように前記ゲートトレンチ内にポリシリコンを埋め込んでポリシリコンゲートを形成する工程と、前記ゲートトレンチとは異なる領域において前記ソース領域を貫通して前記チャネル領域に達するソースコンタクト溝を形成し、同時に、前記チャネル領域の深さに達するように前記ポリシリコンゲートにゲートコンタクト溝を形成するコンタクト溝形成工程と、前記ソースコンタクト溝内にソースメタルを埋め込む工程と、前記ゲートコンタクト溝内に、前記ポリシリコンゲートに接するゲートメタルを埋め込む工程とを含む(請求項12)。
ソースコンタクト溝とゲートコンタクト溝とは同程度の幅(同幅)の溝であることが好ましい。これにより、ソースコンタクト溝およびゲートコンタクト溝を同一工程で形成しやすくなる。ただし、コンタクト抵抗低減のために、ゲートコンタクト溝をソースコンタクト溝よりも幅広に形成してもよい。たとえば、ソースコンタクト溝を最小加工寸法で形成して、単位セルの高集積化を図ることが好ましい。単位セルとは、ソース領域、チャネル領域およびドレイン領域ならびにゲート構造を含む最小素子単位をいう。
図1は、この発明の第1の実施形態に係る半導体装置1の図解的な斜視図である。この半導体装置1は、表面にエピタキシャル層2を有するn+型シリコン基板3を備えている。エピタキシャル層2の上には、ソース電極161およびゲート電極162を含む電極膜16が形成されている。シリコン基板3の裏面には、ドレイン電極25が形成されている。シリコン基板3は、たとえば、平面視矩形に形成されており、それに応じて、半導体装置1は平面視において矩形形状を有している。電極膜16は、エピタキシャル層2の表面のほぼ全域に渡る矩形領域に形成されている。この矩形領域の一辺寄りの帯状領域がゲート電極162とされており、残余の矩形領域がソース電極161とされている。すなわち、ゲート電極162は、半導体装置1の端部領域に形成されている。ドレイン電極25は、シリコン基板3の裏面のほぼ全域に渡る矩形領域に形成されている。
エピタキシャル層2は、シリコン基板3の厚さ方向に沿って半導体装置1の表面側から順に配置されたn+型ソース領域4、p−型チャネル領域5およびn−型ドレイン領域6を有している。エピタキシャル層2の厚さは、たとえば、2μm〜20μm程度である。また、n型+ソース領域4の厚さは、たとえば0.2μm程度であり、p−型チャネル領域5の厚さは、たとえば、0.4μm程度である。
図6Aおよび図6B〜図15Aおよび図15Bは、この実施形態の半導体装置の製造工程を説明するための模式的な断面図である。図6A〜図15Aは、図3と同様の切断面における断面構造を示しており、図6B〜図15Bは、図5と同様な切断面における断面構造を示している。
次に図11Aおよび図11Bに示すように、個別ゲートトレンチ7の間の領域に、ソースコンタクト溝12が形成され、結合ゲートトレンチ20の領域にゲートコンタクト溝21が形成される。具体的には、層間絶縁膜11上に、ソースコンタクト溝12およびゲートコンタクト溝21に対応する開口を有するパターンのレジストマスク33が形成される。このレジストマスク33を介して、層間絶縁膜11およびゲート絶縁膜8がエッチングされ、さらに、その下に位置するエピタキシャル層2およびポリシリコンゲート10がエッチングされる。このエッチングは、たとえば、ドライエッチング(反応性イオンエッチング)により行われる。こうして、ソースコンタクト溝12とゲートコンタクト溝21とが、同じ工程で同時に形成される。したがって、これらのコンタクト溝12,21は、ほぼ同じ深さとなる。
さらに、図13Aおよび図13Bに示すように、エピタキシャル層2の全面に対して、下地金属膜14およびプラグ用金属膜35が順に形成される。具体的には、ソースコンタクト溝12およびゲートコンタクト溝21の内壁面ならびに層間絶縁膜11の上面に接するように、下地金属膜14が形成される。下地金属膜14は、たとえば、チタン膜および窒化チタン膜の積層膜であってもよい。この場合、チタン膜を下層膜とし、窒化チタン膜を上層膜とする。こうして形成された下地金属膜14上に、プラグ用金属膜35が積層される。プラグ用金属膜35は、たとえば、タングステンからなる。
その後、図1、図2および図4に示す分離領域17の電極膜16および下地金属膜14が選択的にエッチング除去される。これによって、ソース電極161とゲート電極162とが切り分けられる。その後は、シリコン基板3の裏面にドレイン電極25が形成される。ドレイン電極25は、たとえば、シリコン基板3側から順に積層されたチタン膜、ニッケル膜および銀膜を含む積層膜であってもよい。
すなわち、この実施形態は、十分な絶縁破壊耐量を有し、設計どおりの性能(特性)を得やすく、それでいて製造工程数の少ない半導体装置を提供する。
この実施形態では、第1の実施形態における結合ゲートトレンチ20の代わりに、個別ゲートトレンチ7の端部にそれぞれコンタクト用ゲートトレンチ40が形成されている。コンタクト用ゲートトレンチ40は、図16の例では、互いに結合されておらず、間隔を空けて離散的に配置されている。コンタクト用ゲートトレンチ40は、たとえば、ゲートトレンチ7の幅よりも幅広の矩形(たとえばほぼ正方形)に形成されている。
この実施形態では、コ字型のセル形成領域18と、このセル形成領域18に三方から囲まれたゲートコンタクト領域19とがエピタキシャル層2上に設定されている。セル形成領域18においては、エピタキシャル層2上に、網目状のパターンを有するゲートトレンチ7が形成されている。ゲートトレンチ7は、エピタキシャル層2内に、複数の矩形網目領域を区画するパターンに形成されている。各網目領域が一つのセル50を形成している。各セル50の中央部には、ソースコンタクト溝12が形成されている。
セル形成領域18において、分離領域17とゲートトレンチ7との間には、ボディコンタクト溝59が複数箇所に形成されている。また、連絡ゲートトレンチ56の間の領域にも、ボディコンタクト溝59が形成されている。これらのボディコンタクト溝59は、エピタキシャル層2内のp−型チャネル領域5(図3等参照)に達するコンタクト溝である。これらのボディコンタクト溝59内には、たとえばタングステンからなる金属プラグが埋め込まれる。これらの金属プラグは、ソース電極161に接続されている。セル50が形成されていない領域では、ソース領域形成のためのn+型領域が形成されていない。そこで、p−型チャネル領域5の電位を安定させるために、ボディコンタクト溝59を介して、p−型チャネル領域5にソース電極161が接続されている。
また、前述の実施形態では、MOSEFTを例にとったが、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の他の構造の半導体装置に対しても、この発明を適用することができる。
2 エピタキシャル層
2a エピタキシャル層の表面
3 シリコン基板
4 n+型ソース領域
5 p−型チャネル領域
6 n−型ドレイン領域
7 ゲートトレンチ(個別ゲートトレンチ)
8 ゲート絶縁膜
9 p+型領域
10 ポリシリコンゲート
11 層間絶縁膜
12 ソースコンタクト溝
14 下地金属膜
15 金属プラグ
16 電極膜
161 ソース電極
162 ゲート電極
17 分離領域
18 セル形成領域
19 ゲートコンタクト領域
20 結合ゲートトレンチ
21 ゲートコンタクト溝
22 金属プラグ
25 ドレイン電極
40 コンタクト用ゲートトレンチ
41 ゲートコンタクト溝
50 セル
56 連絡ゲートトレンチ
57 コンタクト用ゲートトレンチ
58 ゲートコンタクト溝
Claims (12)
- 半導体基板の厚さ方向に沿って装置表面側から順に配置されたソース領域、チャネル領域およびドレイン領域を有する半導体装置であって、
前記ソース領域を貫通して前記チャネル領域に達するソースコンタクト溝内に埋め込まれたソースメタルと、
前記ソース領域および前記チャネル領域を貫通して前記ドレイン領域に達するように形成されたゲートトレンチの側壁に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜において少なくとも前記チャネル領域に対向する領域を覆い、かつ、前記ソース領域の表面以下に全部が位置するように前記ゲートトレンチ内に埋め込まれたポリシリコンゲートと、
前記チャネル領域の深さに達するように前記ポリシリコンゲートに形成されたゲートコンタクト溝内に埋め込まれ、前記ポリシリコンゲートに接するゲートメタルとを含む、半導体装置。 - 前記ソースコンタクト溝と前記ゲートコンタクト溝とがほぼ等しい深さに形成されている、請求項1記載の半導体装置。
- 前記ポリシリコンゲートが、前記半導体基板上において面一の表面を有している、請求項1または2記載の半導体装置。
- 前記ポリシリコンゲートの表面が前記半導体基板の表面と同一面内に位置している、請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記ゲートメタルは、前記ゲートコンタクト溝の内壁面を覆う下地金属膜と、この下地金属膜に接するように前記ゲートコンタクト溝に埋め込まれた本体部とを含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記ゲートトレンチは、複数本の個別ゲートトレンチと、各個別ゲートトレンチの一端が結合された結合ゲートトレンチとを含み、
前記ポリシリコンゲートと前記ゲートメタルとが、前記結合ゲートトレンチ内で接している、請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記複数本の個別ゲートトレンチが、ストライプ状に平行に延びており、
前記結合ゲートトレンチが、前記個別ゲートトレンチと垂直な方向に延びている、請求項6記載の半導体装置。 - 前記ソースメタルがソース電極を含み、前記ゲートメタルがゲート電極を含み、前記ソース電極およびゲート電極が分離領域によって分離された一対の電極膜を含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記ゲート電極が前記半導体装置の端部領域に形成されている、請求項8記載の半導体装置。
- 前記分離領域が所定方向に沿う直線状領域である、請求項8または9記載の半導体装置。
- 前記分離領域が、前記ゲート電極を三方から囲むように形成されている、請求項8または9記載の半導体装置。
- 半導体基板の厚さ方向に沿って装置表面側から順に配置されたソース領域、チャネル領域およびドレイン領域を有する半導体装置の製造方法であって、
前記ソース領域および前記チャネル領域を貫通して前記ドレイン領域に達するようにゲートトレンチを形成する工程と、
前記ゲートトレンチの側壁にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜において少なくとも前記チャネル領域に対向する領域を覆い、かつ、前記ソース領域の表面以下に全部が位置するように前記ゲートトレンチ内にポリシリコンを埋め込んでポリシリコンゲートを形成する工程と、
前記ゲートトレンチとは異なる領域において前記ソース領域を貫通して前記チャネル領域に達するソースコンタクト溝を形成し、同時に、前記チャネル領域の深さに達するように前記ポリシリコンゲートにゲートコンタクト溝を形成するコンタクト溝形成工程と、
前記ソースコンタクト溝内にソースメタルを埋め込む工程と、
前記ゲートコンタクト溝内に、前記ポリシリコンゲートに接するゲートメタルを埋め込む工程とを含む、半導体装置の製造方法。
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