JP2020021881A - Semiconductor device - Google Patents
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Description
本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。 The technology disclosed in this specification relates to a semiconductor device.
高いゲート電圧で駆動する半導体装置が必要とされることがある。このような半導体装置を具現化するために、膜厚の厚いゲート絶縁膜を採用する技術が知られている。特許文献1及び特許文献2は、膜厚の厚いゲート絶縁膜として、STI(Shallow Trench Isolation)構造を利用する技術を開示する。 A semiconductor device driven by a high gate voltage may be required. In order to realize such a semiconductor device, a technique of employing a thick gate insulating film is known. Patent Literature 1 and Patent Literature 2 disclose a technique using an STI (Shallow Trench Isolation) structure as a thick gate insulating film.
このようなゲート絶縁膜は、半導体基板の一方の主面に溝を形成した後に、その溝内に絶縁膜を充填することで形成される。溝内に絶縁膜を充填するために、CVD(Chemical Vapor Deposition)技術が用いられる。 Such a gate insulating film is formed by forming a groove on one main surface of a semiconductor substrate and then filling the groove with an insulating film. A CVD (Chemical Vapor Deposition) technique is used to fill the trench with an insulating film.
CVD技術を利用して充填される絶縁膜には、原料ガスに由来した水素が含まれている。絶縁膜に含まれる水素は、半導体装置を製造する工程中にチャネル領域に移動し、チャネル領域の界面準位を変動させることがある。チャネル領域の界面準位の変動量は、半導体装置の製造バラツキに応じて大きく変動する。絶縁ゲートの閾値電圧は、チャネル領域の界面準位の影響を受けることから、絶縁膜に含まれる水素がチャネル領域に移動すると、絶縁ゲートの閾値電圧が変動してしまう。このような絶縁ゲートの閾値電圧の変動を抑える技術が必要とされている。 The insulating film filled by using the CVD technique contains hydrogen derived from a source gas. Hydrogen contained in the insulating film moves to a channel region during a process of manufacturing a semiconductor device, and may change an interface state of the channel region. The amount of change in the interface state in the channel region greatly changes according to manufacturing variations of the semiconductor device. Since the threshold voltage of the insulating gate is affected by the interface state of the channel region, when hydrogen contained in the insulating film moves to the channel region, the threshold voltage of the insulating gate changes. There is a need for a technique for suppressing such fluctuations in the threshold voltage of the insulated gate.
本明細書が開示する半導体装置の一実施形態は、半導体基板と、前記半導体基板の一方の主面の溝内に充填されている充填絶縁膜と、前記充填絶縁膜上に設けられているゲート電極と、を備えることができる。前記半導体基板は、前記半導体基板の前記一方の主面に直交する方向から見たときに、前記ゲート電極の範囲内に配置されているチャネル領域を有することができる。前記充填絶縁膜は、水素を含む埋込み絶縁膜と、前記埋込み絶縁膜と前記チャネル領域の間に設けられており、前記半導体基板の前記一方の主面に直交する方向から見たときに、前記チャネル領域の全範囲と重複するように配置されている埋込み水素遮断膜と、を有することができる。前記半導体基板の材料には、シリコン(Si)、化合物半導体(SiC,GaN等)、酸化物半導体(ZnO,TiO2,SnO2等)、ダイヤモンド(C)等、種々の材料を用いることができる。前記充填絶縁膜は、STI(Shallow Trench Isolation)構造であってもよい。前記埋込み水素遮断膜の材料には、水素に対する拡散係数が十分に小さい材料が用いられ、水素の通過を抑えることができる材料が用いられる。前記埋込み水素遮断膜の材料には、水素に対する拡散係数が前記埋込み絶縁膜よりも小さい材料が用いられる。前記埋込み水素遮断膜は、例えば窒化膜であってもよく、典型的には窒化シリコン膜であってもよい。この例に代えて、前記埋込み水素遮断膜の材料は、窒化アモルファスシリコンであってもよい。上記実施形態の半導体装置では、前記埋込み水素遮断膜が設けられていることにより、前記埋込み絶縁膜に含まれる水素が前記チャネル領域に移動することが抑えられる。これにより、上記実施形態の半導体装置では、前記チャネル領域の界面準位の変動が抑えられ、絶縁ゲートの閾値電圧の変動が抑えられる。 One embodiment of a semiconductor device disclosed in this specification is a semiconductor substrate, a filling insulating film filling a groove in one main surface of the semiconductor substrate, and a gate provided on the filling insulating film. And an electrode. The semiconductor substrate may have a channel region disposed within a range of the gate electrode when viewed from a direction orthogonal to the one main surface of the semiconductor substrate. The filling insulating film is a buried insulating film containing hydrogen, provided between the buried insulating film and the channel region, and when viewed from a direction orthogonal to the one main surface of the semiconductor substrate, A buried hydrogen barrier film disposed so as to overlap the entire range of the channel region. Wherein the material of the semiconductor substrate silicon (Si), a compound semiconductor (SiC, GaN, etc.), an oxide semiconductor (ZnO, TiO 2, SnO 2, etc.), can be used diamond (C) or the like, a variety of materials . The filling insulating film may have an STI (Shallow Trench Isolation) structure. As the material of the buried hydrogen barrier film, a material having a sufficiently small diffusion coefficient for hydrogen is used, and a material capable of suppressing the passage of hydrogen is used. As the material of the buried hydrogen blocking film, a material having a diffusion coefficient for hydrogen smaller than that of the buried insulating film is used. The buried hydrogen barrier film may be, for example, a nitride film, typically a silicon nitride film. Instead of this example, the material of the buried hydrogen barrier film may be amorphous silicon nitride. In the semiconductor device of the above embodiment, since the buried hydrogen blocking film is provided, the movement of hydrogen contained in the buried insulating film to the channel region is suppressed. Thus, in the semiconductor device of the above embodiment, the fluctuation of the interface state of the channel region is suppressed, and the fluctuation of the threshold voltage of the insulated gate is suppressed.
上記実施形態の半導体装置では、前記埋込み水素遮断膜が、前記埋込み絶縁膜の底面全体を被覆して設けられていてもよい。このような形態によると、前記埋込み絶縁膜に含まれる水素が前記チャネル領域に移動することがより確実に抑えられる。 In the semiconductor device of the above embodiment, the buried hydrogen blocking film may be provided so as to cover the entire bottom surface of the buried insulating film. According to such an embodiment, the movement of hydrogen contained in the buried insulating film to the channel region is more reliably suppressed.
図1に示されるように、半導体装置1は、LDMOS(Lateral Diffusion MOSFET)と称される種類の半導体装置であり、半導体基板10、ドレイン電極22、ソース電極24、ゲート電極26、充填絶縁膜30、表面水素遮断膜40及び層間絶縁膜50を備えている。
As shown in FIG. 1, the semiconductor device 1 is a type of semiconductor device called an LDMOS (Lateral Diffusion MOSFET), and includes a
半導体基板10は、シリコン単結晶であり、ドレイン領域11、ドリフト領域12、低濃度領域13、ボディ領域14及びソース領域15を有している。
The
ドレイン領域11は、n++型の高濃度ドレイン領域11aとn型の低濃度ドレイン領域11bを含んでいる。高濃度ドレイン領域11aは、充填絶縁膜30の側面に接するとともに半導体基板10の表面に露出するように設けられている。高濃度ドレイン領域11aは、半導体基板10の表面上に設けられているドレイン電極22にオーミック接触している。低濃度ドレイン領域11bは、高濃度ドレイン領域11aを取り囲んでおり、充填絶縁膜30の側面及び底面に接しており、高濃度ドレイン領域11aとドリフト領域12の間に設けられている。
The
ドリフト領域12は、ドレイン領域11よりも不純物濃度が薄く、低濃度領域13よりも不純物濃度が濃いn型の領域である。ドリフト領域12は、充填絶縁膜30の底面に接するように設けられている。
低濃度領域13は、半導体基板10内に各種半導体領域を形成した残部である。この例では、ドリフト領域12とボディ領域14の間に低濃度領域13が介在して設けられているが、ドリフト領域12とボディ領域14が直接的に接していてもよい。
The low-
ボディ領域14は、p型の領域であり、ソース領域15を取り囲んでおり、充填絶縁膜30の底面に接するように設けられている。ボディ領域14のうちの充填絶縁膜30の底面に接する部分を特に、チャネル領域CHという。チャネル領域CHは、ドリフト領域12とソース領域15の間に配置されており、この例ではさらに、低濃度領域13とソース領域15の間に配置されている。チャネル領域CHは、半導体基板10の表面に直交する方向から見たときに(以下、「平面視したときに」という)、ゲート電極26の範囲内に含まれており、ゲート電極26の少なくとも一部の範囲と重複するように配置されている。チャネル領域CHは、ゲート電極26にゲートオン電圧が印加されたときに、反転チャネルが形成される領域である。
The
ソース領域15は、n++型の高濃度ソース領域15aとn+型の低濃度ソース領域15bを含んでいる。高濃度ソース領域15aは、充填絶縁膜30の側面に接するとともに半導体基板10の表面に露出するように設けられている。高濃度ソース領域15aは、半導体基板10の表面上に設けられているソース電極24にオーミック接触している。低濃度ソース領域15bは、高濃度ソース領域15aを取り囲んでおり、充填絶縁膜30の側面及び底面に接しており、高濃度ソース領域15aとボディ領域14の間に設けられている。低濃度ソース領域15bが充填絶縁膜30の底面に接する部分は、平面視したときに、ゲート電極26の少なくとも一部の範囲と重複するように配置されている。
The
充填絶縁膜30は、ドレイン電極22とソース電極24の間に配置されており、半導体基板10の表面に形成されたシャロートレンチST内に充填して設けられている。充填絶縁膜30は、熱酸化膜32、埋込み水素遮断膜34及び埋込み絶縁膜36を有している。充填絶縁膜30は、ゲート電極26とチャネル領域CHの間に設けられており、絶縁ゲートのゲート絶縁膜として機能する。図示省略するが、充填絶縁膜30は、半導体基板10の他の領域に形成された素子間にも設けられており、素子分離用のSTI構造としても機能する。
The filling insulating
熱酸化膜32は、シャロートレンチSTの内壁を被覆しており、シャロートレンチSTの内壁を熱酸化することで形成される。熱酸化膜32は、シャロートレンチSTを形成するときのエッチングダメージを低減するために形成されている。
The
埋込み水素遮断膜34は、熱酸化膜32と埋込み絶縁膜36の間に設けられている。埋込み水素遮断膜34は、平面視したときに、チャネル領域CHの全範囲と重複するように配置されている。より好ましくは、埋込み水素遮断膜34は、平面視したときに、ゲート電極26の全範囲と重複するように配置されている。この例では、埋込み水素遮断膜34は、埋込み絶縁膜36の側面及び底面の全範囲を被覆して設けられており、埋込み絶縁膜36とシャロートレンチSTの内壁の間の全範囲に介在している。埋込み水素遮断膜34の材料は、水素に対する拡散係数が埋込み絶縁膜36よりも小さい材料であり、この例では、窒化シリコン膜が用いられている。埋込み水素遮断膜34は、例えばCVD技術を利用して成膜される。
The buried
埋込み絶縁膜36は、埋込み水素遮断膜34の表面上に設けられている。埋込み絶縁膜36は、例えばCVD技術を利用して成膜される。
The buried insulating
表面水素遮断膜40は、第1表面水素遮断膜42及び第2表面水素遮断膜44を有している。第1表面水素遮断膜42は、充填絶縁膜30上であって、充填絶縁膜30とゲート電極26の間に設けられている。第2表面水素遮断膜44は、充填絶縁膜30上であって、ゲート電極26の表面を覆うように設けられている。
The surface
第1表面水素遮断膜42は、平面視したときに、ゲート電極26の全範囲と重複するように配置されている。この例では、第1表面水素遮断膜42は、充填絶縁膜30の表面の全範囲を被覆するように設けられている。このように、第1表面水素遮断膜42と埋込み水素遮断膜34によって、埋込み絶縁膜36の周囲が完全に取り囲まれている。第1表面水素遮断膜42の材料は、水素に対する拡散係数が埋込み絶縁膜36よりも小さい材料であり、この例では、窒化シリコン膜が用いられている。第1表面水素遮断膜42は、例えばCVD技術を利用して成膜される。
The first surface
第2表面水素遮断膜44は、平面視したときに、ゲート電極26の全範囲と重複するように配置されている。この例では、第2表面水素遮断膜44は、ゲート電極26の表面に加えて、充填絶縁膜30の表面の全範囲に対向して被覆するように設けられている。第2表面水素遮断膜44の材料は、水素に対する拡散係数が埋込み絶縁膜36よりも小さい材料であり、この例では、窒化シリコン膜が用いられている。第2表面水素遮断膜44は、例えばCVD技術を利用して成膜される。
The second surface
層間絶縁膜50は、半導体基板10上を被覆している。図示省略するが、層間絶縁膜50内には、各電極に接続される配線が配設されている。
The
半導体装置1は、ドレイン電極22が高電圧側端子に接続され、ソース電極24が低電圧(例えば接地電圧)側端子に接続されて用いられる。この状態でゲート電極26に閾値電圧以上の電圧(オン電圧)が印加されると、ボディ領域14のチャネル領域CHに反転チャネルが形成され、この反転チャネルを介してドレイン電極22とソース電極24が導通する。一方、ゲート電極26に閾値電圧を下回る電圧(例えば接地電圧)が印加されると、ボディ領域14のチャネル領域CHの反転チャネルが消失し、ドレイン電極22とソース電極24の間が絶縁される。このように、半導体装置1は、スイッチング素子として動作する。
The semiconductor device 1 is used with the
充填絶縁膜30の埋込み絶縁膜36は、CVD技術を利用して成膜される。原料ガスにシラン系ガス(例えばモノシランガス)が用いられることから、埋込み絶縁膜36内に水素が残留する。ここで、埋込み水素遮断膜34及び表面水素遮断膜40が設けられていない場合を想定する。この場合、埋込み絶縁膜36に含まれる水素は、半導体装置を製造する工程中において、ボディ領域14のチャネル領域CHに移動し、チャネル領域CHの表面においてSiダングリングボンドに結合してSi−H結合を形成することが考えられる。これにより、チャネル領域CHの界面準位が変動し、絶縁ゲートの閾値電圧が変動する。あるいは、埋込み絶縁膜36に含まれる水素は、半導体装置を製造する工程中において、外方拡散によって埋込み絶縁膜36から抜けることが考えられる。一方、半導体装置を製造する工程中において、外気から埋込み絶縁膜36内に水素が侵入することが考えられる。このように、埋込み絶縁膜36に含まれる水素量が変動し、絶縁ゲートの閾値電圧が変動する。このような閾値電圧の変動は、製造バラツキに敏感であり、製造バラツキに依存する。
The buried insulating
半導体装置1では、埋込み絶縁膜36とチャネル領域CHの間に埋込み水素遮断膜34が設けられている。このため、埋込み絶縁膜36に含まれる水素がチャネル領域CHに移動することが抑えられることから、チャネル領域CHの表面においてSi−H結合を形成することが抑えられる。これにより、半導体装置1では、製造バラツキに抗してチャネル領域CHの表面準位が安定しており、絶縁ゲートの閾値電圧の変動が抑えられる。なお、埋込み水素遮断膜34は、少なくとも埋込み絶縁膜36とチャネル領域CHの間に設けられていればよいが、この例のように、埋込み絶縁膜36の底面全体に設けられていると、埋込み絶縁膜36に含まれる水素がチャネル領域CHに移動することを確実に抑えられる。
In the semiconductor device 1, the buried
また、半導体装置1では、埋込み絶縁膜36上に表面水素遮断膜40が設けられている。このため、埋込み絶縁膜36に含まれる水素が外方拡散によって埋込み絶縁膜36から抜けること、さらに、外気から埋込み絶縁膜36内に水素が侵入することが抑えられる。これにより、半導体装置1では、製造バラツキに抗して埋込み絶縁膜36に含まれる水素量が安定しており、絶縁ゲートの閾値電圧の変動が抑えられる。なお、この例では、表面水素遮断膜40が第1表面水素遮断膜42と第2表面水素遮断膜44の組合せで構成されている。第1表面水素遮断膜42と第2表面水素遮断膜44のうちの少なくとも一方が設けられていれば、埋込み絶縁膜36に含まれる水素が外方拡散によって埋込み絶縁膜36から抜けること、さらに、外気から埋込み絶縁膜36内に水素が侵入することが抑えられる。また、少なくともゲート電極26の下方の埋込み絶縁膜36内の水素量が安定すれば良いことから、表面水素遮断膜40は、平面視したときに、少なくともゲート電極26の全範囲と重複する位置に配置されていればよい。この例のように、表面水素遮断膜40が充填絶縁膜30の全範囲を覆うように設けられていると、埋込み絶縁膜36内の水素量がより確実に安定することができる。
In the semiconductor device 1, the surface
次に、図2A〜図2Fを参照し、半導体装置1の製造方法を説明する。まず、図2Aに示されるように、半導体基板10を準備する。次に、リソグラフィー技術を利用して、開口を有するマスク(図示省略)を半導体基板10の表面上に形成し、その開口から露出する半導体基板10の表層部をドライエッチングし、シャロートレンチSTを形成する。
Next, a method for manufacturing the semiconductor device 1 will be described with reference to FIGS. 2A to 2F. First, as shown in FIG. 2A, a
次に、図2Bに示されるように、半導体基板10の表面(シャロートレンチSTの内壁を含む)を熱酸化し、熱酸化膜32を成膜する。次に、CVD技術を利用して、熱酸化膜32の表面上に埋込み水素遮断膜34を成膜する。原料ガスには、SiH4−N2、SiH4−NH3、SiH4―NH3―N2が用いられる。次に、CVD技術を利用して、埋込み水素遮断膜34の表面上に埋込み絶縁膜36を成膜する。原料ガスには、モノシランが用いられる。
Next, as shown in FIG. 2B, the surface of the semiconductor substrate 10 (including the inner wall of the shallow trench ST) is thermally oxidized to form a
次に、図2Cに示されるように、半導体基板10上に成膜された埋込み絶縁膜36を研磨し、半導体基板10の表面を平坦化する。この例では、半導体基板10の表面が露出するまで平坦化しているが、必要に応じて、半導体基板10の表面上に熱酸化膜32が残存してもよく、熱酸化膜32と埋込み水素遮断膜34の双方が残存してもよい。
Next, as shown in FIG. 2C, the embedded insulating
次に、図2Dに示されるように、CVD技術を利用して、半導体基板10と充填絶縁膜30の表面上に第1表面水素遮断膜42を成膜する。原料ガスには、SiH4−N2、SiH4−NH3、SiH4―NH3―N2が用いられる。
Next, as shown in FIG. 2D, a first surface
次に、図2Eに示されるように、充填絶縁膜30上であって、第1表面水素遮断膜42の表面上の一部にゲート電極26を形成する。ゲート電極26は、不純物を高濃度に含むポリシリコンである。ゲート電極26を形成した後に、熱酸化処理を実施し、ゲート電極26の表面に熱酸化膜を成膜してもよい。
Next, as shown in FIG. 2E, the
次に、図2Fに示されるように、CVD技術を利用して、ゲート電極26の表面上と第1表面水素遮断膜42の表面上に第2表面水素遮断膜44を成膜する。原料ガスには、SiH4−N2、SiH4−NH3、SiH4―NH3―N2が用いられる。
Next, as shown in FIG. 2F, a second surface
最後に、イオン注入技術を利用して半導体基板10内に各種半導体領域を形成することにより、図1に示す半導体装置1が完成する。
Finally, various semiconductor regions are formed in the
図3に、変形例の半導体装置2を示す。この半導体装置2は、図1の半導体装置1と対比すると、第1表面水素遮断膜42が設けられていないことを特徴とする。この半導体装置2でも、埋込み絶縁膜36上に第2表面水素遮断膜44が設けられているので、埋込み絶縁膜36に含まれる水素が外方拡散によって埋込み絶縁膜36から抜けること、さらに、外気から埋込み絶縁膜36内に水素が侵入することが抑えられる。これにより、半導体装置2でも、製造バラツキに抗して埋込み絶縁膜36に含まれる水素量が安定しており、絶縁ゲートの閾値電圧の変動が抑えられる。また、この半導体装置2でも、埋込み水素遮断膜34が設けられているので、埋込み絶縁膜36に含まれる水素がチャネル領域CHに移動することが抑えられている。これにより、半導体装置2でも、製造バラツキに抗してチャネル領域CHの表面準位が安定しており、絶縁ゲートの閾値電圧の変動が抑えられる。
FIG. 3 shows a semiconductor device 2 of a modified example. The semiconductor device 2 is characterized in that the first surface
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 As described above, the specific examples of the present invention have been described in detail, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. In addition, the technical elements described in the present specification or the drawings exhibit technical utility singly or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings can simultaneously achieve a plurality of objects, and has technical utility by achieving one of the objects.
1:半導体装置、 10:半導体基板、 11:ドレイン領域、 11a:高濃度ドレイン領域、 11b:低濃度ドレイン領域、 12:ドリフト領域、 13:低濃度領域、 14:ボディ領域、 15:ソース領域、 15a:高濃度ソース領域、 15b:低濃度ソース領域、 22:ドレイン電極、 24:ソース電極、 26:ゲート電極、 30:充填絶縁膜、 32:熱酸化膜、 34:埋込み水素遮断膜、 36:埋込み絶縁膜、 40:表面水素遮断膜、 42:第1表面水素遮断膜、 44:第2表面水素遮断膜、 50:層間絶縁膜 1: semiconductor device, 10: semiconductor substrate, 11: drain region, 11a: high-concentration drain region, 11b: low-concentration drain region, 12: drift region, 13: low-concentration region, 14: body region, 15: source region, 15a: High concentration source region, 15b: Low concentration source region, 22: Drain electrode, 24: Source electrode, 26: Gate electrode, 30: Filled insulating film, 32: Thermal oxide film, 34: Embedded hydrogen barrier film, 36: Embedded insulating film, 40: surface hydrogen blocking film, 42: first surface hydrogen blocking film, 44: second surface hydrogen blocking film, 50: interlayer insulating film
Claims (5)
前記半導体基板の一方の主面の溝内に充填されている充填絶縁膜と、
前記充填絶縁膜上に設けられているゲート電極と、を備えており、
前記半導体基板は、
前記半導体基板の前記一方の主面に直交する方向から見たときに、前記ゲート電極の範囲内に配置されているチャネル領域と、を有しており、
前記充填絶縁膜は、
水素を含む埋込み絶縁膜と、
前記埋込み絶縁膜と前記チャネル領域の間に設けられており、前記半導体基板の前記一方の主面に直交する方向から見たときに、前記チャネル領域の全範囲と重複するように配置されている埋込み水素遮断膜と、を有する、半導体装置。 A semiconductor substrate;
A filling insulating film filling a groove in one main surface of the semiconductor substrate,
A gate electrode provided on the filling insulating film,
The semiconductor substrate,
And a channel region disposed within a range of the gate electrode when viewed from a direction orthogonal to the one main surface of the semiconductor substrate,
The filling insulating film,
A buried insulating film containing hydrogen,
The semiconductor device is provided between the buried insulating film and the channel region, and is disposed so as to overlap the entire range of the channel region when viewed from a direction orthogonal to the one main surface of the semiconductor substrate. And a buried hydrogen barrier film.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the filling insulator has an STI structure.
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WO2024058140A1 (en) * | 2022-09-12 | 2024-03-21 | 株式会社デンソー | Semiconductor device |
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WO2024058140A1 (en) * | 2022-09-12 | 2024-03-21 | 株式会社デンソー | Semiconductor device |
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