JP2012039133A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体層の表面から形成される凹溝内にゲート電極を形成する、いわゆるトレンチ構造のトランジスタセルがマトリクス状に配列される絶縁ゲート型のパワー用MOSFETを有する半導体装置およびその製法に関する。さらに詳しくは、ゲート配線とコンタクトされるゲートパッドをゲート電極が形成される凹溝と同様に半導体層表面から掘り下げられた凹部内に形成することにより、ゲートの絶縁破壊耐圧を向上させたMOSFETを有する半導体装置およびその製法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device having an insulated gate type power MOSFET in which gate electrodes are formed in concave grooves formed from the surface of a semiconductor layer, so-called trench structure transistor cells are arranged in a matrix, and a method for manufacturing the same. . More specifically, a MOSFET with improved breakdown voltage of the gate is formed by forming a gate pad that is in contact with the gate wiring in a recess dug from the surface of the semiconductor layer in the same manner as the recess groove in which the gate electrode is formed. The present invention relates to a semiconductor device having the same and a manufacturing method thereof.
従来のトレンチ構造のハイパワー用ゲート駆動型MOSトランジスタは、大電流化のため、トランジスタセルを多数個マトリクス状に並列に形成する構造が採られている。たとえば図8(a)に一部の断面説明図が示されるように、n+形の半導体基板21a上に、ドレイン領域とするn形の半導体層(エピタキシャル成長層)21がエピタキシャル成長され、その半導体層21に凹溝が格子状に形成され、その内表面にゲート酸化膜24が形成されると共に、ゲート電極25とするポリシリコンが埋め込まれている。そして、その周囲の半導体層21にp形のチャネル拡散領域22が形成され、そのゲート電極25側周囲にn+形ソース領域23が形成されることにより、ゲート酸化膜24に接して縦方向にチャネル領域22aが形成されている。さらに表面に形成されたSiO2などからなる絶縁膜26にコンタクト孔を形成し、露出するソース領域23およびチャネル拡散領域22とオーミックコンタクトするようにソース配線27が形成され、半導体基板21aの裏面にドレイン電極28が形成されている。
A conventional high-power gate drive MOS transistor having a trench structure employs a structure in which a large number of transistor cells are formed in parallel in a matrix to increase the current. For example, as shown in a partial cross-sectional explanatory diagram in FIG. 8A, an n-type semiconductor layer (epitaxial growth layer) 21 serving as a drain region is epitaxially grown on an n + -type semiconductor substrate 21a, and the semiconductor layer A concave groove is formed in a lattice shape in 21, a
前述のゲート電極25は、ポリシリコンなどからなり、完全に低抵抗には形成されないため、図8(b)に半導体チップのゲート配線29の例を示す平面説明図が示されるように、トランジスタセル領域30の周囲、またはセル領域30内に部分的に、Alなどからなる金属膜によるゲート配線を接続してワイヤボンディング部29aから遠くのセルにも抵抗が増大しないように形成されている。このポリシリコン膜とAlなどからなる金属膜とをコンタクトさせるため、図8(c)にゲート配線29部分の一部の斜視説明図が示されるように、ゲート電極25と連続的に半導体層表面に図示しないゲート酸化膜を介してゲートパッド25aが形成され、そのゲートパッド25aに絶縁膜31(図の左側にも絶縁膜が形成されるが、図では省略されている)を介してゲート配線29が形成されている。なお、図8(b)に示されるように、セル領域30内にゲートフィンガ29bと呼ばれるゲート配線が所々に設けられる場合もあるが、その場合も同様の構造になっている。
Since the
なお、このトランジスタセルにおけるゲート電極で囲まれるセルの平面的構造は、正方形や5角形、6角形などの任意の形状に形成される。また、これらのトランジスタでは、モータのような誘導性負荷に接続されることが多く、その場合、動作をオフにするとき、逆方向の起電力が印加されることがあり、トランジスタが破壊するのを防止するため、前述のように、ソース電極27をチャネル拡散領域22とも接続させることにより、ソース・ドレイン間に逆方向の保護用ダイオードを形成する方法が採られている。
The planar structure of the cell surrounded by the gate electrode in this transistor cell is formed in an arbitrary shape such as a square, a pentagon, or a hexagon. Also, these transistors are often connected to an inductive load such as a motor. In that case, when the operation is turned off, an electromotive force in the reverse direction may be applied, and the transistor is destroyed. In order to prevent this, as described above, a method of forming a protective diode in the reverse direction between the source and the drain by connecting the
前述のように、トレンチ構造のMOSFETでは、ゲート配線29と接続されるゲートパッド25aは、半導体層の表面にゲート酸化膜を介して形成されているため、凹溝内に形成されるゲート電極25より高い位置になり、ゲート電極25と連続して形成されるゲートバッド25aは、図8(c)のAで示されるような凹溝の角部を経由している。角部は、一般的に酸化膜が形成されにくいため薄くなり、ゲートパッドと半導体層とがショートしたり、ゲート耐圧が低下するという問題がある。そのため、その角部にもゲート酸化膜が充分に形成されるように、丸め処理と呼ばれる処理、すなわち角部を丸くする処理が行われているが、それでも耐圧を充分に向上させることができない。この角部を丸くする処理は、たとえばRIEなどのエッチングをした後に表面の荒れた半導体層を除去するため犠牲酸化をしてその酸化膜を除去する工程が行われるが、その犠牲酸化を1100℃程度(通常は900℃程度)の高い温度で行って厚い酸化膜を形成し除去することにより行われる。
As described above, in the MOSFET having the trench structure, the
また、この種の半導体装置では、とくにサージなどに対しても充分に保護されることが重要である。 Further, in this type of semiconductor device, it is important to be sufficiently protected especially against a surge or the like.
さらに、ゲートフィンガなどを設けなくても、周囲のトランジスタセルに低抵抗で信号伝達をできると共に、できるだけセルの数を多く形成することができ、オン抵抗を小さくして大電流化することが望まれている。 In addition, it is possible to transmit signals to the surrounding transistor cells with a low resistance without providing a gate finger or the like, to increase the number of cells as much as possible, and to reduce the on-resistance and increase the current. It is rare.
さらに、この種のトランジスタセルが多数個マトリクス状に配列される半導体装置では、そのセル領域外周のトランジスタセルに電界が集中しやすく破壊しやすいとい問題がある。 Further, in a semiconductor device in which a large number of transistor cells of this type are arranged in a matrix, there is a problem that the electric field tends to concentrate on the transistor cells on the outer periphery of the cell region and is easily destroyed.
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、トレンチ構造のトランジスタセルがマトリクス状に多数個形成され、そのゲート電極に金属膜からなるゲート配線がコンタクトされる半導体装置でも、ゲート耐圧を充分に高くすることができる構造の半導体装置およびその製法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and a semiconductor device in which a large number of transistor cells having a trench structure are formed in a matrix and a gate wiring made of a metal film is contacted to the gate electrode thereof. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device having a structure capable of sufficiently increasing the gate breakdown voltage and a manufacturing method thereof.
本発明の他の目的は、トレンチ構造で耐圧を向上させながら、サージなどに対しても、破壊し難い構造の半導体装置を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a semiconductor device having a structure that is difficult to break down against a surge or the like while improving the breakdown voltage with a trench structure.
本発明のさらに他の目的は、ゲート配線をできるだけ少なくしながら、各セルに均一に信号を伝達し得る構造の半導体装置を提供することにある。 Still another object of the present invention is to provide a semiconductor device having a structure capable of uniformly transmitting signals to each cell while minimizing gate wiring.
本発明のさらに他の目的は、トレンチ構造で耐圧を向上させながら、できるだけセルの数を増やし、大電流化が可能なハイパワー用MOSFETを有する半導体装置を提供することにある。 Still another object of the present invention is to provide a semiconductor device having a high power MOSFET capable of increasing the number of cells as much as possible and increasing the current while improving the breakdown voltage with a trench structure.
本発明のさらに他の目的は、ゲートパッドが凹部内に形成されても、セル領域のpn接合の空乏層をチップ外周部まで延ばして、その耐圧を向上させ得る構造の半導体装置を提供することにある。 Still another object of the present invention is to provide a semiconductor device having a structure capable of extending the depletion layer of the pn junction in the cell region to the outer periphery of the chip and improving the breakdown voltage even when the gate pad is formed in the recess. It is in.
本発明による半導体装置は、半導体層に形成される凹溝内にゲート酸化膜を介してゲート電極が設けられるトレンチ構造のトランジスタセルがマトリクス状に配列されたセル領域を有する半導体装置であって、金属膜からなるゲート配線とコンタクトするため、前記ゲート電極と連続して形成されるゲートパッド部が、前記凹溝と同時に設けられる凹部内に形成され、前記凹溝内のゲート電極および前記凹部内の前記ゲートパッドの表面は、前記半導体層の表面よりもエッチバックにより低くされ、かつ、前記ゲート電極および前記ゲートパッドの表面に設けられる絶縁膜により前記凹溝および凹部の角部が被覆され、
さらに、前記ゲートパッドが形成される凹部は前記凹溝の幅より広く形成されると共に、前記ゲートパッドは前記凹部の側面側で底面側よりも高い形状にされている。
A semiconductor device according to the present invention is a semiconductor device having a cell region in which transistor cells having a trench structure in which a gate electrode is provided in a concave groove formed in a semiconductor layer via a gate oxide film, arranged in a matrix, In order to make contact with the gate wiring made of a metal film, a gate pad portion formed continuously with the gate electrode is formed in a concave portion provided simultaneously with the concave groove, and the gate electrode in the concave groove and in the concave portion The surface of the gate pad is made lower than the surface of the semiconductor layer by etch back, and the corners of the concave groove and the concave portion are covered with an insulating film provided on the surface of the gate electrode and the gate pad,
Further, the recess in which the gate pad is formed is formed wider than the width of the recess, and the gate pad is shaped higher on the side surface side of the recess than on the bottom surface side.
この構造にすることにより、ゲートパッド部が凹部内の低い位置に形成される(いわゆるシンクパッド)ため、凹溝内に形成されるゲート電極と、ゲート配線とコンタクトされるゲートパッドとが段差なく連続して形成され、半導体層表面に薄いゲート酸化膜を介して形成されるゲートパッドでも、角部がなく、安定した膜厚でゲート酸化膜が形成されており、充分に高いゲート耐圧を得ることができる。その結果、トレンチ構造の絶縁ゲート型MOSFETでも、充分にゲート耐圧の高い半導体装置が得られる。 With this structure, the gate pad portion is formed at a low position in the recess (so-called sink pad), so that the gate electrode formed in the recess and the gate pad in contact with the gate wiring are continuous without a step. Even when the gate pad is formed on the surface of the semiconductor layer through a thin gate oxide film, the gate oxide film is formed with a stable film thickness with no corners, and a sufficiently high gate breakdown voltage can be obtained. Can do. As a result, a semiconductor device having a sufficiently high gate breakdown voltage can be obtained even with an insulated gate MOSFET having a trench structure.
前記トレンチ構造のトランジスタセルのそれぞれが、前記ゲート電極周囲の前記半導体層表面側に、該半導体層と異なる導電形のチャネル拡散領域および該半導体層と同じ導電形のソース領域が順次縦方向に設けられ、該ソース領域の表面に金属膜からなるソース配線が直接設けられ、該ソース配線の金属が前記ソース領域およびチャネル拡散領域にスパイクすることによりオーミックコンタクトが得られる合金層が形成される構造のトランジスタであれば、ソース電極コンタクト部の面積を非常に小さくすることができ、単位面積当りのトランジスタセルの数を非常に増やすことができ、トレンチ構造でゲート耐圧が高く、オン抵抗が小さく、大電流のパワー用MOSFETが得られる。 Each of the transistor cells having the trench structure is provided with a channel diffusion region having a conductivity type different from that of the semiconductor layer and a source region having the same conductivity type as that of the semiconductor layer in the vertical direction around the gate electrode. And a source wiring made of a metal film is directly provided on the surface of the source region, and an alloy layer is formed in which an ohmic contact is obtained when the metal of the source wiring spikes into the source region and the channel diffusion region. In the case of a transistor, the area of the source electrode contact portion can be made extremely small, the number of transistor cells per unit area can be greatly increased, the gate structure is high in the trench structure, the on-resistance is small, and the transistor is large. A current power MOSFET is obtained.
前記セル領域より外周側の絶縁膜上にリング状のp形層とn形層とが平面的に交互に設けられることにより双方向の保護ダイオードが形成され、かつ、前記p形層またはn形層の最内周および最外周の層にリング状にコンタクトする金属膜がそれぞれ設けられ、該リング状にコンタクトする金属膜のそれぞれが金属膜からなるソース配線およびゲート配線のいずれかと連続的に形成されることにより、小さな直列抵抗で保護ダイオードをソース・ドレイン間に挿入することができ、サージなどが印加されても、保護ダイオードを介して逃がすことができ、安定したトレンチ構造のMOSFETになる。 Bidirectional protection diodes are formed by alternately providing ring-shaped p-type layers and n-type layers on the insulating film on the outer peripheral side of the cell region, and the p-type layer or the n-type layer is formed. Metal films that contact each other in a ring shape are provided on the innermost and outermost layers of each layer, and each of the metal films that contact the ring shape is formed continuously with either the source wiring or the gate wiring made of the metal film. As a result, a protection diode can be inserted between the source and drain with a small series resistance, and even if a surge or the like is applied, it can escape through the protection diode, resulting in a MOSFET with a stable trench structure.
前記保護ダイオードの最外周の層とコンタクトしてゲート配線が設けられ、該ゲート配線が部分的に前記保護ダイオードを跨いで前記セル領域周囲の前記ゲートパッドと接続されるようにゲート接続部が形成され、該ゲート接続部と前記ソース配線の前記最内周の層とコンタクトするソース接続部とが、平面的に交互に形成されることにより、セル領域周囲にゲート配線を形成しなくても、チップ外周の保護ダイオードに接続するゲート配線によりセル全体のゲート電極に信号伝達を行うことができる。 A gate wiring is provided in contact with the outermost layer of the protection diode, and a gate connection portion is formed so that the gate wiring is partially connected to the gate pad around the cell region across the protection diode The gate connection portion and the source connection portion that contacts the innermost layer of the source wiring are alternately formed in a plane, so that the gate wiring is not formed around the cell region. Signals can be transmitted to the gate electrode of the entire cell by the gate wiring connected to the protection diode on the outer periphery of the chip.
前記セル領域の最外周に前記半導体層と異なる導電形の拡散領域が形成され、前記保護ダイオードの最内周の層にコンタクトされる前記ソース配線が、該拡散領域にもコンタクトされることにより、空乏層がその拡散領域の外側まで延び、破損しやすいセル領域最外周のセルを保護することができる。 A diffusion region having a conductivity type different from that of the semiconductor layer is formed on the outermost periphery of the cell region, and the source wiring contacted with the innermost layer of the protection diode is also contacted with the diffusion region, The depletion layer extends to the outside of the diffusion region, and the cell in the outermost periphery of the cell region that is easily damaged can be protected.
前記セル領域の内部または外周に設けられるゲートパッドが、該ゲートパッドと隣接する前記セル領域の前記チャネル拡散領域と対向する部分には前記凹部および前記ゲートパッドが形成されないで、分断されていることにより、ゲートパッド形成のために凹部が形成され、チャネル拡散領域と同じ導電形からなる浅い拡散領域がつぶされても、たとえばトランジスタセルのチャネル拡散領域やソース領域の横側は、ゲート電極を介してウェル領域が半導体チップの端部側まで形成されるため、チャネル拡散領域と半導体層との間に形成される空乏層を半導体チップの端部側まで延ばすことができ、耐圧を向上させることができる。一方、ゲートパッドはゲート電極が直線状に延びる部分に形成されることにより、ゲート電極と連続して凹部内に形成されており、その上にコンタクトされるゲート配線と接続され、ゲート電極への信号伝達には何ら支障を来さない。 A gate pad provided inside or on the outer periphery of the cell region is divided without forming the recess and the gate pad in a portion facing the channel diffusion region of the cell region adjacent to the gate pad. Therefore, even if a recess is formed for forming the gate pad and the shallow diffusion region having the same conductivity type as the channel diffusion region is crushed, for example, the channel diffusion region of the transistor cell and the lateral side of the source region are interposed via the gate electrode. Since the well region is formed up to the end side of the semiconductor chip, the depletion layer formed between the channel diffusion region and the semiconductor layer can be extended to the end side of the semiconductor chip, thereby improving the breakdown voltage. it can. On the other hand, the gate pad is formed in the concave portion continuously with the gate electrode by forming the gate electrode in a linearly extending portion, and is connected to the gate wiring contacted on the gate pad. There is no hindrance to signal transmission.
前記セル領域の内部または外周に設けられるゲートパッドの下側に、前記トランジスタセルのチャネル拡散領域より深く、該チャネル拡散領域と同じ導電形からなる拡散領域が形成されることにより、ゲートパッドが凹部内に形成されても、その凹部の下にウェル領域が形成され、空乏層を半導体チップの端部側まで延ばすことができる。 The gate pad is recessed by forming a diffusion region deeper than the channel diffusion region of the transistor cell and having the same conductivity type as the channel diffusion region below the gate pad provided inside or on the outer periphery of the cell region. Even if formed inside, a well region is formed under the recess, and the depletion layer can be extended to the end side of the semiconductor chip.
本発明による半導体装置の製法は、半導体層に形成される凹溝内にゲート酸化膜を介してゲート電極が設けられるトレンチ構造のトランジスタセルがマトリクス状に配列されたセル領域を有する半導体装置の製法であって、(a)前記半導体層に前記凹溝および該凹溝よりも幅広の凹部を形成してその表面に酸化膜を形成し、(b)ポリシリコン膜を全面に堆積して前記凹溝内および凹部内にポリシリコンを埋め込み、前記凹部の表面のみにマスクを設けてエッチバックを行い、(c)前記マスクを除去してさらにエッチバックを行って前記凹溝および凹部が形成されない半導体層の表面のゲート酸化膜が完全に露出するまでエッチバックを行うことにより、前記凹溝内にゲート電極を、前記凹部内にゲートパッドを、それぞれの表面が前記半導体層の表面よりも低く、かつ、前記ゲートパッドの側面を底面より高く形成し、(d)前記ゲート電極およびゲートパッドの表面を含む全面に前記凹溝および凹部の角部を被覆するように絶縁膜を形成し、(e)前記半導体層の表面および前記ゲートパッドの表面にコンタクト孔を形成して金属膜を堆積することにより、前記半導体層表面と接続したソース配線、および前記ゲートパッドと接続したゲート配線を形成することを特徴とする半導体装置の製法。 A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method of manufacturing a semiconductor device having a cell region in which transistor cells having a trench structure in which a gate electrode is provided in a concave groove formed in a semiconductor layer via a gate oxide film are arranged in a matrix. (A) forming the concave groove and a concave portion wider than the concave groove in the semiconductor layer, forming an oxide film on the surface, and (b) depositing a polysilicon film over the entire surface to form the concave layer. A semiconductor in which polysilicon is embedded in a groove and a recess, a mask is provided only on the surface of the recess, and etching back is performed. (C) The mask is removed and etching is further performed to form the recess and recess. Etchback is performed until the gate oxide film on the surface of the layer is completely exposed, whereby the gate electrode is formed in the recessed groove, the gate pad is formed in the recessed portion, and each surface is formed on the surface. A lower side than the surface of the conductor layer, and a side surface of the gate pad is formed higher than a bottom surface, and (d) the entire surface including the surface of the gate electrode and the gate pad is covered with the corners of the concave groove and the concave portion. Forming an insulating film; and (e) forming a contact hole in the surface of the semiconductor layer and the surface of the gate pad to deposit a metal film, thereby connecting the source wiring connected to the surface of the semiconductor layer, and the gate pad; A method of manufacturing a semiconductor device, comprising forming a connected gate wiring.
本発明によれば、トレンチ構造のMOSFETにおいて、ゲートパッドもゲート電極のトレンチと同様の凹部内に形成されているため、ゲート電極とゲートパッドとの接続部が凹溝および凹部内で連続し、凹溝から半導体基板表面に這い上がる段差が形成されない。そのため、ゲート電極とゲートパッドとの接続部が凹溝角部のゲート酸化膜上を通ることがなく、ゲートの耐圧を非常に向上させることができる。その結果、トレンチ構造のMOSFETに致命的なゲート耐圧の弱点を克服することができる。 According to the present invention, in the MOSFET having the trench structure, since the gate pad is also formed in the concave portion similar to the trench of the gate electrode, the connection portion between the gate electrode and the gate pad is continuous in the concave groove and the concave portion, A step rising from the concave groove to the surface of the semiconductor substrate is not formed. Therefore, the connecting portion between the gate electrode and the gate pad does not pass over the gate oxide film at the corner of the groove, and the gate breakdown voltage can be greatly improved. As a result, it is possible to overcome the weak point of the gate breakdown voltage that is fatal to the MOSFET having the trench structure.
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体装置について説明をする。本発明による半導体装置は、図1にその一実施形態であるMOSFETの一部の断面説明図が示されるように、半導体層1に凹溝11が形成され、その凹溝11内にゲート酸化膜4が形成され、その凹溝11内にポリシリコンなどからなるゲート電極5が設けられるトレンチ構造のトランジスタセルがマトリクス状に配列されたセル領域10を有している。そして、金属膜からなるゲート配線9とコンタクトするため、ゲート電極5と連続してゲートパッド5aが設けられているが、そのゲートパッド5aが凹溝11と同時に設けられる凹部12内に形成されている。
Next, the semiconductor device of the present invention will be described with reference to the drawings. A semiconductor device according to the present invention has a
半導体層1は、たとえばシリコンからなり不純物濃度の大きいn+形半導体基板1aに10μm程度の厚さにエピタキシャル成長されたシリコンからなるn形半導体層で、その表面にボロンなどからなるp形不純物が拡散され、さらにリンなどからなるn形不純物を拡散することにより、p形のチャネル拡散領域2が1μm程度の厚さで形成され、その表面にマスクを形成してn形不純物を拡散することにより、n+形のソース領域3が0.5μm程度の厚さに分離して形成されている。このチャネル拡散領域2およびソース領域3の形成は、後述する凹溝11およびゲート電極5を形成した後に拡散により形成することもできる。
The
そして、図1(b)にソース電極を設ける前の斜視説明図が示されるように、ピッチAが0.7〜5μm程度の間隔で格子状に0.35〜1.0μm幅(E)程度で、1.5μm程度の深さに凹溝11が形成され、その凹溝11内にゲート酸化膜4を介してポリシリコンなどからなるゲート電極5が形成されている。
As shown in the perspective explanatory view before providing the source electrode in FIG. 1B, the pitch A is about 0.3 to 1.0 μm wide (E) in a lattice pattern with an interval of about 0.7 to 5 μm. Thus, a
ゲート電極5は、たとえばポリシリコンが全面に堆積された後にエッチバックすることにより凹溝11内以外の部分のポリシリコン膜が除去されることにより、凹溝11内のみに形成されている。本発明では、このゲート電極5を形成するための凹溝11と同時にAlなどからなるゲート配線9と接続するためのゲートパッド5aを形成する部分にも凹部12を形成しておき、ポリシリコン膜も残存させて凹部12内にゲートパッド5aが形成されている。
The
ゲートパッド5aは、たとえば図1(c)にチップの平面説明図が示されるように、セル領域10(セル領域10の表面は殆どソース配線7で覆われる)の周囲、および必要に応じてセル領域10内にゲートフィンガとして形成され、ワイヤボンディング部9aと連続して形成されるAlなどからなるゲート配線9とコンタクトできるように、およそ20μm幅程度に形成される。これは、ゲート電極5とするポリシリコン膜だけでは、その抵抗成分が大きく、ワイヤボンディング部9aから離れたトランジスタセルでは、信号の伝達が充分に行えなくなるため、金属膜からなるゲート配線により遠いセルにも直接接続するためである。
The
図1に示される例では、そのゲートパッド5aよりさらに外周側に後述する保護ダイオードがリング状に形成され、ゲート配線9はその保護ダイオードの最外層と接続するようにチップの端部側にリング状に形成され、ゲートパッド5aとはゲート配線9を部分的に内周側に食い込ませた接続部9bによりコンタクトさせる構造になっている。すなわち、保護ダイオードの最内周層にはソース配線が接続されるため、ソース配線の接続部7bと交互に噛み合うように形成されている。この接続部9bと7bの噛み合いは、チップの全周に亘って形成されているが、図1(c)では、一部のみを示し、後は一点鎖線で省略してある。
In the example shown in FIG. 1, a protection diode, which will be described later, is formed in a ring shape further on the outer peripheral side than the
従来は、このゲートパッド5aは半導体層表面にゲート酸化膜4と同時に形成される酸化膜4aを介して形成されていたが、前述のように、ゲートパッド5aに隣接する凹溝11内のゲート電極5とゲートパッド5aとの接続部が凹溝11の角部を通り、薄いゲート酸化膜4が角部ではさらに薄くなるため、その耐圧がもたないという問題が生じていた。しかし、本発明では、ゲートパッド5aが凹溝11と同じ深さに形成された凹部12内に形成されている。その結果、ゲート電極5とゲートパッド5aとの接続部は凹溝内を通って接続し、ゲート溝11の角部を経由する必要がないため、ゲート耐圧を充分に向上させることができる。なお、このゲートパッド5aの形成法については後述する。図1(c)において、7aはソース配線のワイヤボンディング部で、A-A線断面が図1(a)に、III-III線断面が図4にそれぞれ示されている。
Conventionally, the
図1に示される例では、このゲート電極5およびゲートパッド部5aが形成された表面には、CVD法などによりSiO2などの絶縁膜6が設けられ、パターニングをしてコンタクト孔が形成され、その表面にソース配線7とするためのAlなどからなる金属膜を3μm程度の厚さ成膜されている。コンタクト孔は、前述のソース領域2の分離部に形成され、その間に露出するチャネル拡散領域2とソース領域3の両方にオーミックコンタクトするように形成されている。
In the example shown in FIG. 1, an insulating
つぎに、このMOSFETの製造方法について、図2を参照しながら説明をする。まず図2(a)に示されるように、n+形半導体基板1a上にn形半導体層1を10μm程度エピタキシャル成長する。そして、その表面にCVD法などにより図示しないSiO2膜を0.5μm程度成膜し、パターニングすることにより、ゲート電極の形成場所を格子状に、さらにゲートパッド5aの形成場所をそれぞれ露出させる。そして、RIEなどのドライエッチングにより1.5μm程度の深さの凹溝11および凹部12を形成する。その後、水蒸気の雰囲気下で、900〜1000℃程度、30分程度の熱処理を行うことにより、凹溝11内表面にゲート酸化膜4、凹部12表面に酸化膜4aを同時に形成する。
Next, a method for manufacturing this MOSFET will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 2A, an n-
その後、図2(b)に示されるように、全面にポリシリコンを堆積して凹溝11内および凹部12内にポリシリコンを埋め込む。完全に凹溝11内に埋め込むため、凹溝11深さの2倍程度の厚さに堆積され、ポリシリコン膜13が形成される。その後、凹部12内の表面のみに、レジストなどからなるマスク14を形成し、半導体層1表面のポリシリコン膜13を半分ほどの厚さだけ、RIE法によりエッチバックを行う。その後、マスク14を除去し、さらにエッチバックを続けることにより、半導体層1表面のポリシリコン膜13は完全にエッチングされてゲート酸化膜4が露出し、エッチングが止まる。その結果、図2(c)に示されるように、凹溝11内および凹部12内のみにポリシリコン膜が残存し、ゲート電極5およびゲートパッド5aが凹溝11および凹部12内に形成される。この場合、等方性のエッチャントを使用すると、さらに形状の平坦化を図ることができる。
Thereafter, as shown in FIG. 2B, polysilicon is deposited on the entire surface, and the polysilicon is embedded in the recessed
その後、図2(c)に示されるように、ボロンなどのp形不純物を拡散しp形のチャネル拡散領域2を形成し、ついで、図示しないマスクを形成して、リンなどのn形不純物を拡散してn+形のソース領域3を形成する。このチャネル拡散領域2の深さは、表面から0.5〜1μm程度になるように、また、ソース領域3は0.3〜0.5μm程度になるようにそれぞれの拡散がなされる。なお、セル領域の最外周には、n形不純物を拡散しないで、p形の拡散領域2aのみとする。そして、表面にSiO2などからなる絶縁膜6をCVD法などにより全面に設け、ソース領域3およびゲートパッド5aが露出するようにコンタクト孔を開け、たとえばスパッタリング法によりAlを3μm程度の厚さに全面に堆積し、ソース配線7を形成する。その後、半導体基板1aの裏面に、Tiなどの金属をスパッタリングなどにより1μm程度成膜して、ドレイン電極8を形成することにより、図1(a)に示されるトレンチ構造のMOSFETが得られる。
Thereafter, as shown in FIG. 2C, p-type impurities such as boron are diffused to form a p-type
なお、図2に示される例では、凹溝11および凹部12を形成してゲート酸化膜4およびゲート電極5などを形成してから、チャネル拡散領域2およびソース領域3用の拡散をしたが、半導体層1をエピタキシャル成長した後に、全面にチャネル拡散領域2およびソース領域3を形成してから、凹溝11などを形成して、ゲート電極5などを形成してもよい。また、半導体基板1aおよび成長する半導体層としてシリコンを用いたが、SiCを用いることにより、より一層直列抵抗を下げることができ、オン抵抗を下げることができ、大電流化に適している。
In the example shown in FIG. 2, the
図1および図2に示される例では、チャネル拡散領域2の表面側にソース領域3を分離して形成し、ソース配線7をチャネル拡散領域2とソース領域3の両方にオーミックコンタクトするように形成したが、たとえば図3に図1(a)と同様の断面説明図が示されるように、ソース領域3を分離して形成しないで、チャネル拡散領域2の表面全面に形成し、その表面からソース配線7の金属をスパイクさせることにより、合金層7aを形成し、ソース領域3とチャネル拡散領域2の両方にオーミックコンタクトをとるようにすることもできる。このような構造にすればセルのピッチが小さくなり、セル数を増やすことができて、大電流化が可能となるため好ましい。
In the example shown in FIGS. 1 and 2, the
この合金層7aは、前述のソース配線7とするAlなどの金属膜を形成した後に、たとえばN2の雰囲気下で、400℃程度、30分程度の熱処理を行うことにより、ソース配線7とソース領域3との界面におけるSiがAlに拡散することにより、AlとSiとの合金化が半導体層の内部に進んでスパイクし、図3に示されるように先端が尖った形状で形成される。この合金層7aは、熱処理の温度および時間により、その内部へのスパイク深さが変るため、チャネル拡散領域2内に入り込んでオーミックコンタクトが得られると共に、チャネル拡散領域2を突き抜けて半導体層1に達しないように熱処理の条件を制御する必要がある。
The
すなわち、本発明者らは、絶縁ゲート型半導体装置のオン抵抗を小さくして、小さなチップサイズで大きな電流を得ることができる半導体装置を得るため鋭意検討を重ねた結果、半導体層表面に設けられる金属膜がスパイクにより半導体層中に入り込む量は、成膜する金属膜の厚さおよび熱処理などの条件を制御することにより、コントロールすることができ、その制御により図3に示されるように、ソース領域3およびチャネル拡散領域2のみにオーミックコンタクトをさせることができ、しかもチャネル拡散領域2を突き抜けないようにすることができることを見出し、セルサイズを極限まで小さくし得ることを見出した。
That is, the present inventors have made extensive studies in order to obtain a semiconductor device capable of obtaining a large current with a small chip size by reducing the on-resistance of the insulated gate semiconductor device. The amount of the metal film that enters the semiconductor layer due to the spike can be controlled by controlling the thickness of the metal film to be deposited and the conditions such as the heat treatment. As shown in FIG. It has been found that ohmic contact can be made only to the
この合金層の深さ、すなわち、いわゆるスパイクの深さは、熱処理の温度を高く、または熱処理の時間を長くすることにより深くなり、非常に精度よく制御できた。たとえばSiに対してAl膜を設ける場合、300℃程度から合金化は始まるが、400℃程度で行うのが最も効率的で、しかも精度よくスパイクの深さを制御することができた。たとえば400℃程度で30分程度の熱処理を行うことにより、0.6〜0.8μm程度の深さだけスパイクし、前述の0.5μm程度のソース領域3と、1μm程度のチャネル拡散領域2の拡散深さであれば、この条件で合金化処理を行うことにより、両層にオーミックコンタクトを採りながら、チャネル拡散領域2を突き抜ける虞れは全然生じない。その結果、前述のように、チャネル拡散領域2とソース領域3とが縦方向に重なる部分を形成しておくことにより、その表面からAlなどの金属をスパイクさせれば、両層と直接オーミックコンタクトをさせることができた。
The depth of the alloy layer, that is, the so-called spike depth, was deepened by increasing the temperature of the heat treatment or by increasing the time of the heat treatment, and could be controlled very accurately. For example, when an Al film is provided on Si, alloying starts at about 300 ° C., but it is most efficient to perform at about 400 ° C., and the depth of the spike can be accurately controlled. For example, by performing heat treatment at about 400 ° C. for about 30 minutes, spikes are made to a depth of about 0.6 to 0.8 μm, and the
図1および図3に示されるように本発明では、ゲートパッド5a部が凹部12内に形成されていることに特徴がある。すなわち、ゲート電極5およびゲートパッド5aが凹溝11と凹部12内で連続しているため、その途中に凹溝11から半導体層表面に立ち上がるような段差が形成されず、凹溝上面の角部を経由しないで形成されている。その結果、ゲート酸化膜のような薄い酸化膜を介してゲートパッド5aが形成されていても、酸化膜が形成され難い凹溝の角部を通らないため、確実に酸化膜が形成されており、充分にゲート耐圧を得ることができる。
As shown in FIGS. 1 and 3, the present invention is characterized in that the
図1および図3に示される例では、セル領域10およびゲートパッド5a部の部分のみが示されているが、サージなどに対する保護のため、ゲート・ソース間に双方向のツェナーダイオードのような保護ダイオードが挿入されることが好ましい。この保護ダイオード部分が図4に示されている。
In the example shown in FIG. 1 and FIG. 3, only the
保護ダイオード15は、セル領域10(図1(c)参照)上には設けられないが、セル領域10(ソース配線9が形成された領域)の外周側に形成される。図4に示される例では、各トランジスタセル部での空乏層をできるだけセル領域から離れた部分で終端させるように、半導体チップの外周部の全周にフィールド部が設けられており、そのフィールド部のSiO2などからなる絶縁膜(フィールド酸化膜)6上に、たとえばポリシリコン膜によりリング状に形成されている。図4は、図1(c)のIII-III断面図に相当する。このポリシリコン膜は、図4に示される例では、ゲート電極5やゲートパッド5aを形成し、絶縁膜6を設けた後に、改めてポリシリコン膜を成膜して形成しているが、ゲート電極5やゲートパッド5aを形成するのと同時に成膜されてもよい。このポリシリコン膜がパターニングされると共に、不純物を導入してn形層15aとp形層15bとが交互に配列され、pn接合部が横方向に複数組直列に形成されている。
The
前述のポリシリコン膜は、たとえば0.5μm程度の厚さに成膜され、たとえば4μm程度の幅でn形層15aと、p形層15bが交互にリング状に形成されることにより構成されている。このn形層15aおよびp形層15bの不純物濃度は、たとえばそれぞれ5×1020cm-3、7×1017cm-3程度に形成され、この不純物濃度とpn接合の数により、所望のブレークダウン電圧が得られるように設定される。n形層15aと、p形層15bとにより保護ダイオード15を形成する方法は、たとえばポリシリコン膜にp形ドーパントが全面にドーピングされた後に、パターニングによりリング状にn形ドーパントが、前述の不純物濃度になるようにドーピングされることにより、n形層15aとp形層15bとが平面的に交互に繰り返されるようにドーピングされて、双方向のツェナーダイオードが形成される。
The aforementioned polysilicon film is formed to have a thickness of about 0.5 μm, for example, and is formed by alternately forming n-type layers 15 a and p-type layers 15 b in a ring shape with a width of about 4 μm, for example. Yes. The impurity concentrations of the n-type layer 15a and the p-type layer 15b are, for example, about 5 × 10 20 cm −3 and 7 × 10 17 cm −3 , respectively, and a desired break depends on the impurity concentration and the number of pn junctions. It is set to obtain a down voltage. The
この保護ダイオード15のブレークダウン電圧は、前述のように、その不純物濃度を調整することにより、ある程度は調整することができ、通常は1個のダイオードで5〜10V程度になるようにその不純物濃度が設定されている。そして、たとえば3〜4個程度のpn接合部を形成して20〜30V程度でブレークダウンするような保護ダイオード15が形成される。
As described above, the breakdown voltage of the
図4に示される例では、この保護ダイオード15の最外周のn形層15dには、ゲート配線9がコンタクトされ、その最内周の層15cには、ソース配線7がコンタクトされている。そのため、前述の図1でも少し触れたように、ゲート配線9は、ゲートパッド5aより外周側にあり、ゲート配線9とゲートパッド5aとをコンタクトするため、図5に保護ダイオード15とゲート配線9およびソース配線7との接続構造を説明する一部の平面説明図が示されるように、ソース配線7の保護ダイオード15との接続部7bと、ゲート配線9のゲートパッド5aとの接続部9bとが交互に保護ダイオード15側に食い込んで形成され、クシ歯が噛み合うように形成されている。その結果、ゲート配線9が、保護ダイオード15の最外周の層とコンタクトを取りながら、ゲートパッドともコンタクトされている。なお、図5において、III-III線断面が図4の断面図である。
In the example shown in FIG. 4, the
このように、保護ダイオード15の両端部を直接金属膜からなるゲート配線およびソース配線とコンタクトさせることにより、非常に直列抵抗を小さくしながら内蔵することができるため、サージなどが入っても直ちに開放することができ、保護ダイオードとして充分に機能させることができる。すなわち、半導体層の高濃度領域などを介して保護ダイオードを接続すると、高濃度領域といえどもその抵抗成分があるため、サージによる電流を流すのに時間がかかり、その間にトランジスタセルが破壊する場合が多いが、金属膜からなる配線により直接接続されることにより、低抵抗で保護ダイオードが挿入されるため、サージを直ちに開放させることができる。
In this way, since both ends of the
図1および図4に示され、前述したように、セル領域10の一番外周側(チップ外周部にリング状に設けられるゲートパッド5a側)には、トランジスタセルを形成しない(n形不純物を拡散しない)で、ボディ領域と同じp形の拡散領域2aのみを形成しておき、その拡散領域2aにもソース配線7をコンタクトさせておくことにより、空乏層の曲率をかせぐことができ、電界集中を避けることができるため、より一層耐圧が向上する。すなわち、トランジスタセルの半導体層との間に形成される空乏層がこのp形ウェルより外側に延び、半導体チップの端部側まで延ばすことができるため、耐圧を大きくすることができる。
As shown in FIGS. 1 and 4, as described above, no transistor cell is formed on the outermost peripheral side of the cell region 10 (on the side of the
図6は、前述のようにゲートパッド5aが凹部12内に形成されることによるセル領域からの空乏層の広がりが阻止されるのを防止するための構造例である。すなわち、前述のp形チャネル拡散領域2やp形拡散領域2aが凹溝11や凹部12より浅く形成されているため、凹部12がセル領域の外周に(ゲートフィンガがある場合にはその該当部分も)連続して設けられると空乏層がその凹部12で終了してしまい、チップの外周端まで延ばすことができず、耐圧が低下する。そこで、図6(a)に斜視図で、(b)にゲート電極5およびゲートパッド5aの部分を斜線で示した平面説明図で、(c)に(b)のC-C線断面がそれぞれ示されるように、ゲートパッド5aをセル領域10の外周に連続して形成しないで、ゲート電極5との接続部にはゲートパッド5aを形成しながら、p形拡散領域(ウェル)2aの隣接部には凹部が形成されないで、p形拡散領域(ウェル)2aがそのままチップ端部側に延びるように形成されている。
FIG. 6 is an example of a structure for preventing the depletion layer from spreading from the cell region due to the
このように形成されることにより、ゲートパッド5aを凹部12内に形成し、p形拡散領域2aが浅くても、pn接合の空乏層は、セル領域10からゲートパッド5aの部分も連続して延び、チップ端部側のフィールド部分まで空乏層を延ばすことができ、耐圧を充分に向上させることができる。なお、ゲートパッドがこのように分断されていても、その上にゲート配線9がコンタクトされ、ゲート配線9がチップの周囲に連続して形成されるため、何ら問題は生じない。
By forming in this way, the
図7は、ゲートパッド5aが凹部12内に形成されることによるセル領域10からの空乏層の広がりが阻止されるのを防止するための他の構造例を示す図である。すなわち、この例は、ゲートパッド5aをセル領域10の外周部に(ゲートフィンガがある場合はセル領域内部の該当領域も)連続して形成し、そのゲートパッド5aを形成するための凹部12の部分のみに、さらにp形拡散を行い拡散領域(p形ウェル)を深く形成したものである。この深い拡散領域2bを形成するには、たとえば前述の凹溝と共にゲートパッドを形成する凹部12をエッチングにより形成した後に、凹部12以外のところをレジストなどのマスクで覆い、イオン注入によりp形不純物を導入して拡散することにより、凹部12の下側のみに深いp形拡散領域2bを形成することができる。なお、図7において、図1と同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略する。
FIG. 7 is a diagram showing another example of the structure for preventing the depletion layer from spreading from the
このようにすることにより、pn接合による空乏層16はセル領域からゲートパッド部の下を潜ってチップ端部のフィールド部分まで延ばすことができる。しかも、このような構造にすれば、セル領域周囲のゲートパッドを途切れることなく連続して形成することができるので、そのゲートパッドに前述の保護ダイオードを形成することもできる。
By doing so, the
前述の各例は、縦型MOSFETの例であったが、この縦型MOSFETにさらにバイポーラトランジスタが作り込まれる絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)など、トレンチ構造のパワーデバイス全てに適用することができる。 Each of the above examples is an example of a vertical MOSFET, but can be applied to all power devices having a trench structure such as an insulated gate bipolar transistor (IGBT) in which a bipolar transistor is further formed in the vertical MOSFET. .
1 半導体層
2 チャネル拡散領域
3 ソース領域
4 ゲート酸化膜
5 ゲート電極
5a ゲートパッド
7 ソース配線
7a 合金層
9 ゲート配線
11 凹溝
12 凹部
1
Claims (8)
さらに、前記ゲートパッドが形成される凹部は前記凹溝の幅より広く形成されると共に、前記ゲートパッドは前記凹部の側面側で底面側よりも高い形状である半導体装置。 A semiconductor device having a cell region in which a transistor cell having a trench structure in which a gate electrode is provided in a concave groove formed in a semiconductor layer through a gate oxide film arranged in a matrix, and a gate wiring made of a metal film; In order to make contact, a gate pad portion formed continuously with the gate electrode is formed in a concave portion provided simultaneously with the concave groove, and the gate electrode in the concave groove and the surface of the gate pad in the concave portion are The corners of the grooves and the recesses are covered with an insulating film provided on the surfaces of the gate electrode and the gate pad, and lower by etchback than the surface of the semiconductor layer,
Furthermore, the concave portion in which the gate pad is formed is formed wider than the width of the concave groove, and the gate pad has a shape higher on the side surface side of the concave portion than on the bottom surface side.
(a)前記半導体層に前記凹溝および該凹溝よりも幅広の凹部を形成してその表面に酸化膜を形成し、
(b)ポリシリコン膜を全面に堆積して前記凹溝内および凹部内にポリシリコンを埋め込み、前記凹部の表面のみにマスクを設けてエッチバックを行い、
(c)前記マスクを除去してさらにエッチバックを行って前記凹溝および凹部が形成されない半導体層の表面のゲート酸化膜が完全に露出するまでエッチバックを行うことにより、前記凹溝内にゲート電極を、前記凹部内にゲートパッドを、それぞれの表面が前記半導体層の表面よりも低く、かつ、前記ゲートパッドの側面を底面より高く形成し、
(d)前記ゲート電極およびゲートパッドの表面を含む全面に前記凹溝および凹部の角部を被覆するように絶縁膜を形成し、
(e)前記半導体層の表面および前記ゲートパッドの表面にコンタクト孔を形成して金属膜を堆積することにより、前記半導体層表面と接続したソース配線、および前記ゲートパッドと接続したゲート配線を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製法。 A method of manufacturing a semiconductor device having a cell region in which transistor cells having a trench structure in which a gate electrode is provided in a concave groove formed in a semiconductor layer via a gate oxide film, arranged in a matrix,
(A) forming the concave groove and a concave portion wider than the concave groove in the semiconductor layer to form an oxide film on the surface thereof;
(B) depositing a polysilicon film on the entire surface, embedding polysilicon in the concave groove and in the concave portion, providing a mask only on the surface of the concave portion, and performing etch back;
(C) Etching back until the mask is removed and etching back is further performed until the gate oxide film on the surface of the semiconductor layer in which the recess and the recess are not formed is completely exposed. Forming an electrode, a gate pad in the recess, each surface being lower than the surface of the semiconductor layer, and the side surface of the gate pad being higher than the bottom surface;
(D) forming an insulating film so as to cover the corners of the concave groove and the concave portion over the entire surface including the surfaces of the gate electrode and the gate pad;
(E) Forming contact holes on the surface of the semiconductor layer and the surface of the gate pad and depositing a metal film to form source wiring connected to the semiconductor layer surface and gate wiring connected to the gate pad A method for manufacturing a semiconductor device.
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