JP2024073177A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents

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Abstract

Figure 2024073177000001

【課題】 層間絶縁膜の劣化を抑制する。
【解決手段】 半導体装置の製造方法であって、半導体基板の上面にトレンチが設けられており、ゲート電極が前記トレンチ内に配置されており、層間絶縁膜が前記トレンチ内に配置されているとともに前記ゲート電極の上面を覆っているウエハを準備する工程と、前記半導体基板の前記上面と前記層間絶縁膜の前記上面に第1金属層を形成する工程と、前記ウエハを加熱することによって前記第1金属層をシリサイド化させる工程であって前記第1金属層が前記半導体基板の前記上面に接する部分においてシリサイド化するとともに前記層間絶縁膜の前記上面に接する部分においてシリサイド化しない工程と、前記半導体基板の前記上面の上部と前記層間絶縁膜の上部において前記第1金属層上にバリアメタル層を形成する工程と、前記バリアメタル層上に第2金属層を形成する工程、を有する。
【選択図】図1

Figure 2024073177000001

The present invention suppresses deterioration of an interlayer insulating film.
[Solution] A method for manufacturing a semiconductor device includes the steps of: preparing a wafer having a trench provided on an upper surface of a semiconductor substrate, a gate electrode disposed in the trench, and an interlayer insulating film disposed in the trench and covering an upper surface of the gate electrode; forming a first metal layer on the upper surface of the semiconductor substrate and the upper surface of the interlayer insulating film; silicidating the first metal layer by heating the wafer, wherein the first metal layer is silicided at a portion in contact with the upper surface of the semiconductor substrate and is not silicided at a portion in contact with the upper surface of the interlayer insulating film; forming a barrier metal layer on the first metal layer on an upper portion of the upper surface of the semiconductor substrate and on an upper portion of the interlayer insulating film; and forming a second metal layer on the barrier metal layer.
[Selected Figure] Figure 1

Description

本明細書に開示の技術は、半導体装置とその製造方法に関する。 The technology disclosed in this specification relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.

特許文献1に開示の半導体装置は、トレンチ内に配置されたゲート電極と、トレンチ内に配置されているとともにゲート電極の上面を覆う層間絶縁膜を有している。このようにトレンチ内に層間絶縁膜を設けると、半導体基板の上面全体が層間絶縁膜から露出する。したがって、コンタクトホールを形成することなく上部電極を半導体基板の上面に接触させることができる。コンタクトホールが不要となるので、コンタクトホールとトレンチの位置合わせが不要となる。したがって、トレンチの間隔を狭くすることが可能となり、半導体装置の小型化が可能となる。 The semiconductor device disclosed in Patent Document 1 has a gate electrode disposed in a trench, and an interlayer insulating film that is also disposed in the trench and covers the upper surface of the gate electrode. By providing the interlayer insulating film in the trench in this manner, the entire upper surface of the semiconductor substrate is exposed from the interlayer insulating film. Therefore, the upper electrode can be brought into contact with the upper surface of the semiconductor substrate without forming a contact hole. Since no contact hole is required, there is no need to align the contact hole and the trench. Therefore, it is possible to narrow the spacing between the trenches, making it possible to miniaturize the semiconductor device.

特開2019-003967号公報JP 2019-003967 A

トレンチ内に層間絶縁膜が設けられている構造においては、従来は、上部電極が図10に示すように形成される。まず、図10(a)に示すように、半導体基板120の上面と層間絶縁膜130の上面に金属層140を形成する。次に、図10(b)に示すように、半導体基板120を加熱して半導体基板120に接する部分の金属層140をシリサイド化する。次に、図10(c)に示すように、層間絶縁膜130の上部のシリサイド化していない金属層140をエッチングにより除去する。次に、図10(d)に示すように、金属層140の表面と層間絶縁膜130の表面にバリアメタル層150をスパッタリング等により形成する。このとき、金属層140の表面と層間絶縁膜130の表面の間に段差が存在するため、金属層140の表面に形成されるバリアメタル層150と層間絶縁膜130の表面に形成されるバリアメタル層150が分離した状態となる。その結果、金属層140の表面に形成されるバリアメタル層150に、層間絶縁膜130の上部に向かってオーバーハング状に突出する突出部150aが形成される。このため、突出部150aとその下部のバリアメタル層150の間にスリット状の隙間160が形成される。その後、図10(e)に示すように、バリアメタル層150上に金属層170を形成する。金属層170は、隙間160内に充填される。 In a structure in which an interlayer insulating film is provided in a trench, conventionally, an upper electrode is formed as shown in FIG. 10. First, as shown in FIG. 10(a), a metal layer 140 is formed on the upper surface of the semiconductor substrate 120 and the upper surface of the interlayer insulating film 130. Next, as shown in FIG. 10(b), the semiconductor substrate 120 is heated to silicidize the metal layer 140 in the portion in contact with the semiconductor substrate 120. Next, as shown in FIG. 10(c), the metal layer 140 that is not silicided on the upper portion of the interlayer insulating film 130 is removed by etching. Next, as shown in FIG. 10(d), a barrier metal layer 150 is formed on the surface of the metal layer 140 and the surface of the interlayer insulating film 130 by sputtering or the like. At this time, since there is a step between the surface of the metal layer 140 and the surface of the interlayer insulating film 130, the barrier metal layer 150 formed on the surface of the metal layer 140 and the barrier metal layer 150 formed on the surface of the interlayer insulating film 130 are separated. As a result, a protrusion 150a that overhangs toward the upper portion of the interlayer insulating film 130 is formed in the barrier metal layer 150 formed on the surface of the metal layer 140. Therefore, a slit-shaped gap 160 is formed between the protrusion 150a and the barrier metal layer 150 below it. Then, as shown in FIG. 10(e), a metal layer 170 is formed on the barrier metal layer 150. The metal layer 170 fills the gap 160.

半導体装置の使用時に、半導体装置が繰り返し発熱する。図10(e)のように隙間160内に金属層170が充填されていると、半導体装置の発熱時に隙間160内の金属層170の熱膨張により、隙間160近傍で高い熱応力が発生する。その結果、層間絶縁膜130にクラックが入り、層間絶縁膜130の絶縁性が劣化する場合がある。このように、従来の製造方法で製造された半導体装置では、層間絶縁膜が劣化し易い。本明細書では、層間絶縁膜が劣化し難い半導体装置の製造方法を提案する。 When the semiconductor device is in use, it repeatedly generates heat. If the gap 160 is filled with a metal layer 170 as shown in FIG. 10(e), high thermal stress occurs near the gap 160 due to thermal expansion of the metal layer 170 in the gap 160 when the semiconductor device generates heat. As a result, cracks may occur in the interlayer insulating film 130, and the insulating properties of the interlayer insulating film 130 may deteriorate. In this way, the interlayer insulating film is easily deteriorated in semiconductor devices manufactured by conventional manufacturing methods. This specification proposes a manufacturing method for a semiconductor device in which the interlayer insulating film is less likely to deteriorate.

本明細書が開示する半導体装置の製造方法は、ウエハ準備工程、第1金属層形成工程、シリサイド化工程、バリアメタル層形成工程、及び、第2金属層形成工程を有する。前記ウエハ準備工程では、ウエハを準備する。前記ウエハは、半導体基板とゲート電極と層間絶縁膜を有する。前記半導体基板がシリコンを含んでいる。前記半導体基板の上面にトレンチが設けられている。前記ゲート電極が、前記トレンチ内に配置されている。前記層間絶縁膜が、前記トレンチ内に配置されているとともに前記ゲート電極の上面を覆っている。前記層間絶縁膜の上面が、前記半導体基板の前記上面よりも下側に位置している。前記第1金属層形成工程では、前記半導体基板の前記上面と前記層間絶縁膜の前記上面に第1金属層を形成する。前記シリサイド化工程では、前記ウエハを加熱することによって前記第1金属層と前記半導体基板を反応させて前記第1金属層をシリサイド化させる。前記シリサイド化工程では、前記第1金属層が、前記半導体基板の前記上面に接する部分においてシリサイド化するとともに前記層間絶縁膜の前記上面に接する部分においてシリサイド化しない。前記バリアメタル層形成工程では、前記半導体基板の前記上面の上部と前記層間絶縁膜の上部において前記第1金属層上にバリアメタル層を形成する。前記第2金属層形成工程では、前記バリアメタル層上に第2金属層を形成する。 The method for manufacturing a semiconductor device disclosed in this specification includes a wafer preparation step, a first metal layer formation step, a silicidation step, a barrier metal layer formation step, and a second metal layer formation step. In the wafer preparation step, a wafer is prepared. The wafer has a semiconductor substrate, a gate electrode, and an interlayer insulating film. The semiconductor substrate contains silicon. A trench is provided on the upper surface of the semiconductor substrate. The gate electrode is disposed in the trench. The interlayer insulating film is disposed in the trench and covers the upper surface of the gate electrode. The upper surface of the interlayer insulating film is located lower than the upper surface of the semiconductor substrate. In the first metal layer formation step, a first metal layer is formed on the upper surface of the semiconductor substrate and the upper surface of the interlayer insulating film. In the silicidation step, the first metal layer is reacted with the semiconductor substrate by heating the wafer to silicidize the first metal layer. In the silicidation step, the first metal layer is silicided at a portion in contact with the upper surface of the semiconductor substrate and is not silicided at a portion in contact with the upper surface of the interlayer insulating film. In the barrier metal layer forming process, a barrier metal layer is formed on the first metal layer above the upper surface of the semiconductor substrate and above the interlayer insulating film. In the second metal layer forming process, a second metal layer is formed on the barrier metal layer.

なお、シリサイド化工程では、半導体基板の上面を覆う第1金属層の全体がシリサイド化してもよいし、半導体基板の上面を覆う第1金属層のうちの一部(すなわち、半導体基板の上面に接する部分)がシリサイド化し、そのシリサイド化した部分の上部にシリサイド化しない部分が残存してもよい。 In the silicidation process, the entire first metal layer covering the upper surface of the semiconductor substrate may be silicided, or a portion of the first metal layer covering the upper surface of the semiconductor substrate (i.e., the portion in contact with the upper surface of the semiconductor substrate) may be silicided, with an unsilicided portion remaining above the silicided portion.

この製造方法では、半導体基板の上面と層間絶縁膜の上面に第1金属層を形成し、その後、第1金属層をシリサイド化させる。このとき、層間絶縁膜の上面に接する部分では第1金属層がシリサイド化しない。次に、層間絶縁膜の上部の第1金属層を除去することなく、半導体基板の上面の上部と層間絶縁膜の上部において第1金属層上にバリアメタル層を形成する。層間絶縁膜の上部の第1金属層が除去されていないので、層間絶縁膜の上面と半導体基板の上面との間に存在する段差の高さが低い。したがって、バリアメタル層を、半導体基板の上面の上部と層間絶縁膜の上部に亘ってつながっている状態で形成することができる。このため、バリアメタル層にオーバーハング状に突出する突出部が形成されない。このため、図10(d)の隙間160のようなスリット状の隙間が層間絶縁膜の上部に形成されない。次に、バリアメタル層上に第2金属層を形成する。層間絶縁膜の上部にスリット状の隙間が存在しないので、第2金属層がスリット状の隙間内に充填されることがない。したがって、この製造方法によって製造された半導体装置では、層間絶縁膜が劣化し難い。 In this manufacturing method, a first metal layer is formed on the upper surface of the semiconductor substrate and the upper surface of the interlayer insulating film, and then the first metal layer is silicided. At this time, the first metal layer is not silicided in the portion in contact with the upper surface of the interlayer insulating film. Next, a barrier metal layer is formed on the first metal layer on the upper part of the upper surface of the semiconductor substrate and the upper part of the interlayer insulating film without removing the first metal layer on the upper part of the interlayer insulating film. Since the first metal layer on the upper part of the interlayer insulating film is not removed, the height of the step between the upper part of the interlayer insulating film and the upper part of the semiconductor substrate is low. Therefore, the barrier metal layer can be formed in a state in which it is connected to the upper part of the upper surface of the semiconductor substrate and the upper part of the interlayer insulating film. Therefore, a protruding part that protrudes in an overhanging shape is not formed in the barrier metal layer. Therefore, a slit-shaped gap such as the gap 160 in FIG. 10(d) is not formed on the upper part of the interlayer insulating film. Next, a second metal layer is formed on the barrier metal layer. Since there is no slit-shaped gap on the upper part of the interlayer insulating film, the second metal layer is not filled in the slit-shaped gap. Therefore, in semiconductor devices manufactured using this manufacturing method, the interlayer insulating film is less likely to deteriorate.

本明細書は、半導体装置を開示する。この半導体装置は、半導体基板と、ゲート電極と、層間絶縁膜と、第1電極層と、第2電極層と、バリアメタル層と、第3電極層を有している。前記半導体基板は、シリコンを含んでいる。前記半導体基板の上面に、トレンチが設けられている。前記ゲート電極は、前記トレンチ内に配置されている。前記層間絶縁膜は、前記トレンチ内に配置されているとともに前記ゲート電極の上面を覆っている。前記層間絶縁膜の上面が前記半導体基板の前記上面よりも下側に位置している。前記第1電極層は、前記半導体基板の前記上面を覆っており、前記半導体基板の前記上面に接する部分に第1金属とシリコンの合金により構成されているシリサイド層を有する。前記第2電極層は、前記トレンチ内に配置されており、前記層間絶縁膜の前記上面を覆っており、前記第1金属により構成されている。前記第2電極層の上面が前記第1電極層の上面よりも下側に位置している。前記バリアメタル層は、前記第1電極層と前記第2電極層を覆っている。前記第3電極層は、前記バリアメタル層を覆っている。 This specification discloses a semiconductor device. The semiconductor device includes a semiconductor substrate, a gate electrode, an interlayer insulating film, a first electrode layer, a second electrode layer, a barrier metal layer, and a third electrode layer. The semiconductor substrate includes silicon. A trench is provided on the upper surface of the semiconductor substrate. The gate electrode is disposed in the trench. The interlayer insulating film is disposed in the trench and covers the upper surface of the gate electrode. The upper surface of the interlayer insulating film is located lower than the upper surface of the semiconductor substrate. The first electrode layer covers the upper surface of the semiconductor substrate, and has a silicide layer made of an alloy of a first metal and silicon in a portion that contacts the upper surface of the semiconductor substrate. The second electrode layer is disposed in the trench, covers the upper surface of the interlayer insulating film, and is made of the first metal. The upper surface of the second electrode layer is located lower than the upper surface of the first electrode layer. The barrier metal layer covers the first electrode layer and the second electrode layer. The third electrode layer covers the barrier metal layer.

この半導体装置は、本明細書が開示する上記製造方法によって製造され得る。したがって、この半導体装置では、層間絶縁膜が劣化し難い。 This semiconductor device can be manufactured by the manufacturing method disclosed in this specification. Therefore, in this semiconductor device, the interlayer insulating film is less likely to deteriorate.

半導体装置の断面図。FIG. 半導体装置の製造方法の説明図。1A to 1C are explanatory diagrams of a method for manufacturing a semiconductor device. 半導体装置の製造方法の説明図。1A to 1C are explanatory diagrams of a method for manufacturing a semiconductor device. 半導体装置の製造方法の説明図。1A to 1C are explanatory diagrams of a method for manufacturing a semiconductor device. 半導体装置の製造方法の説明図。1A to 1C are explanatory diagrams of a method for manufacturing a semiconductor device. 半導体装置の製造方法の説明図。1A to 1C are explanatory diagrams of a method for manufacturing a semiconductor device. オーバーハングの説明図。An explanatory diagram of an overhang. 半導体装置の製造方法の説明図。1A to 1C are explanatory diagrams of a method for manufacturing a semiconductor device. 半導体装置の製造方法の説明図。1A to 1C are explanatory diagrams of a method for manufacturing a semiconductor device. 従来の半導体装置の製造方法の説明図。1A to 1C are explanatory diagrams of a conventional method for manufacturing a semiconductor device.

本明細書が開示する一例の半導体装置では、前記層間絶縁膜の上部における前記第1金属層と前記バリアメタル層の積層部の厚さが、前記層間絶縁膜の前記上面と前記半導体基板の前記上面の間の段差の高さよりも厚くてもよい。 In one example of a semiconductor device disclosed in this specification, the thickness of the laminated portion of the first metal layer and the barrier metal layer in the upper part of the interlayer insulating film may be thicker than the height of the step between the upper surface of the interlayer insulating film and the upper surface of the semiconductor substrate.

本明細書が開示する一例の半導体装置では、前記層間絶縁膜の上部における前記第2電極層と前記バリアメタル層の積層部の厚さが、前記層間絶縁膜の前記上面と前記半導体基板の前記上面の間の段差の高さよりも厚くてもよい。 In one example of a semiconductor device disclosed in this specification, the thickness of the laminated portion of the second electrode layer and the barrier metal layer in the upper part of the interlayer insulating film may be thicker than the height of the step between the upper surface of the interlayer insulating film and the upper surface of the semiconductor substrate.

図1に示す実施形態の半導体装置10は、MOSFET(metal-oxide-semiconductor field effect transistor)である。半導体装置10は、半導体基板12を有している。半導体基板12は、SiC、SiなどのSiを含む半導体材料により構成されている。半導体基板12の上面12aには、複数のトレンチ14が形成されている。各トレンチ14は、図1において左右方向に間隔をあけて配置されている。各トレンチ14は、図1において奥行方向に長く伸びている。 The semiconductor device 10 of the embodiment shown in FIG. 1 is a MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor). The semiconductor device 10 has a semiconductor substrate 12. The semiconductor substrate 12 is made of a semiconductor material containing Si, such as SiC or Si. A plurality of trenches 14 are formed in an upper surface 12a of the semiconductor substrate 12. The trenches 14 are arranged at intervals in the left-right direction in FIG. 1. Each trench 14 extends long in the depth direction in FIG. 1.

各トレンチ14内にゲート絶縁膜20とゲート電極22と層間絶縁膜24が配置されている。ゲート絶縁膜20は、トレンチ14の内面を覆っている。ゲート電極22は、ゲート絶縁膜20に囲まれた範囲に配置されている。ゲート電極22は、ゲート絶縁膜20によって半導体基板12から絶縁されている。層間絶縁膜24は、酸化シリコンにより構成されている。層間絶縁膜24は、ゲート電極22の上面を覆っている。層間絶縁膜24の上面24aは、半導体基板12の上面12aよりも下側に位置している。すなわち、層間絶縁膜24の上面24aは、トレンチ14内に配置されている。このため、半導体基板12の上面12aと層間絶縁膜24の上面24aの間に段差が形成されている。図1において、高さH1は、半導体基板12の上面12aと層間絶縁膜24の上面24aの間の段差の高さである。 A gate insulating film 20, a gate electrode 22, and an interlayer insulating film 24 are arranged in each trench 14. The gate insulating film 20 covers the inner surface of the trench 14. The gate electrode 22 is arranged in a range surrounded by the gate insulating film 20. The gate electrode 22 is insulated from the semiconductor substrate 12 by the gate insulating film 20. The interlayer insulating film 24 is made of silicon oxide. The interlayer insulating film 24 covers the upper surface of the gate electrode 22. The upper surface 24a of the interlayer insulating film 24 is located lower than the upper surface 12a of the semiconductor substrate 12. In other words, the upper surface 24a of the interlayer insulating film 24 is arranged in the trench 14. Therefore, a step is formed between the upper surface 12a of the semiconductor substrate 12 and the upper surface 24a of the interlayer insulating film 24. In FIG. 1, height H1 is the height of the step between the upper surface 12a of the semiconductor substrate 12 and the upper surface 24a of the interlayer insulating film 24.

半導体基板12の上部には、上部電極30が設けられている。上部電極30は、第1電極層31、第2電極層32、第3電極層33、及び、バリアメタル層34を有している。 An upper electrode 30 is provided on the upper part of the semiconductor substrate 12. The upper electrode 30 has a first electrode layer 31, a second electrode layer 32, a third electrode layer 33, and a barrier metal layer 34.

第1電極層31は、ニッケルシリサイド(すなわち、NiSi)またはチタンシリサイド(TiSi)により構成されている。第1電極層31は、半導体基板12の上面12aを覆っている。 The first electrode layer 31 is composed of nickel silicide (i.e., NiSi) or titanium silicide (TiSi). The first electrode layer 31 covers the upper surface 12a of the semiconductor substrate 12.

第2電極層32は、ニッケルまたはチタンにより構成されている。第1電極層31がニッケルシリサイドの場合には第2電極層32はニッケルであり、第1電極層31がチタンシリサイドの場合には第2電極層32はチタンである。第2電極層32は、トレンチ14内に配置されている。第2電極層32は、層間絶縁膜24の上面24aを覆っている。第2電極層32の上面32aは、半導体基板12の上面12aよりも下側に配置されている。すなわち、第2電極層32の上面32aは、トレンチ14内に配置されている。 The second electrode layer 32 is made of nickel or titanium. If the first electrode layer 31 is nickel silicide, the second electrode layer 32 is nickel, and if the first electrode layer 31 is titanium silicide, the second electrode layer 32 is titanium. The second electrode layer 32 is disposed in the trench 14. The second electrode layer 32 covers the upper surface 24a of the interlayer insulating film 24. The upper surface 32a of the second electrode layer 32 is disposed below the upper surface 12a of the semiconductor substrate 12. In other words, the upper surface 32a of the second electrode layer 32 is disposed in the trench 14.

バリアメタル層34は、第1電極層31の上面と第2電極層32の上面32aを覆っている。バリアメタル層34は、第1電極層31の上面と第2電極層32の上面32aに跨って連続的に分布している。バリアメタル層34は、TiN層の単層により構成されていてもよいし、Ti層とTiN層の二層により構成されていてもよい。バリアメタル層34が二層構造の場合、Ti層が第1電極層31の上面と第2電極層32の上面32aを覆っており、TiN層がTi層の上面を覆っている。第1電極層31がニッケルシリサイドにより構成されている場合には、バリアメタル層34がTi層とTiN層の二層構造を有しているほうが半導体装置10の特性が安定する。第1電極層31がチタンシリサイドにより構成されている場合には、バリアメタル層34は、TiNの単層とTi/TiNの二層のいずれであってもよい。 The barrier metal layer 34 covers the upper surface of the first electrode layer 31 and the upper surface 32a of the second electrode layer 32. The barrier metal layer 34 is continuously distributed across the upper surface of the first electrode layer 31 and the upper surface 32a of the second electrode layer 32. The barrier metal layer 34 may be composed of a single layer of TiN, or may be composed of two layers of a Ti layer and a TiN layer. When the barrier metal layer 34 has a two-layer structure, the Ti layer covers the upper surface of the first electrode layer 31 and the upper surface 32a of the second electrode layer 32, and the TiN layer covers the upper surface of the Ti layer. When the first electrode layer 31 is composed of nickel silicide, the characteristics of the semiconductor device 10 are more stable when the barrier metal layer 34 has a two-layer structure of a Ti layer and a TiN layer. When the first electrode layer 31 is composed of titanium silicide, the barrier metal layer 34 may be either a single layer of TiN or a two-layer structure of Ti/TiN.

第3電極層33は、アルミニウムを主成分とする合金膜(例えばAlSi)により構成されている。第3電極層33は、バリアメタル層34の上面を覆っている。 The third electrode layer 33 is composed of an alloy film (e.g., AlSi) whose main component is aluminum. The third electrode layer 33 covers the upper surface of the barrier metal layer 34.

図1に示す厚さT1は、層間絶縁膜24の上部における第2電極層32とバリアメタル層34の積層部の厚さである。すなわち、厚さT1は、第2電極層32の厚さとバリアメタル層34の厚さの和である。厚さT1は、高さH1よりも厚い。したがって、層間絶縁膜24の上部のバリアメタル層34の上面は半導体基板12の上面12aよりも上側に位置している。このように積層部の厚さT1が段差の高さH1よりも厚いと、段差においてバリアメタル層34が途切れ難く、層間絶縁膜24の上部と半導体基板12の上面12aの上部に連続的にバリアメタル層34を設けることができる。 The thickness T1 shown in FIG. 1 is the thickness of the laminated portion of the second electrode layer 32 and the barrier metal layer 34 on the upper part of the interlayer insulating film 24. In other words, the thickness T1 is the sum of the thickness of the second electrode layer 32 and the thickness of the barrier metal layer 34. The thickness T1 is thicker than the height H1. Therefore, the upper surface of the barrier metal layer 34 on the upper part of the interlayer insulating film 24 is located above the upper surface 12a of the semiconductor substrate 12. When the thickness T1 of the laminated portion is thicker than the height H1 of the step, the barrier metal layer 34 is less likely to be interrupted at the step, and the barrier metal layer 34 can be provided continuously on the upper part of the interlayer insulating film 24 and the upper part of the upper surface 12a of the semiconductor substrate 12.

半導体基板12の下部には、下部電極40が設けられている。下部電極40は、半導体基板12の下面12bに接している。 A lower electrode 40 is provided on the lower part of the semiconductor substrate 12. The lower electrode 40 is in contact with the lower surface 12b of the semiconductor substrate 12.

半導体基板12の内部には、ソース領域50、コンタクト領域52、ボディ領域54、ドリフト領域56、及び、ドレイン領域58が設けられている。 A source region 50, a contact region 52, a body region 54, a drift region 56, and a drain region 58 are provided inside the semiconductor substrate 12.

ソース領域50は、n型不純物濃度が高いn型領域である。ソース領域50は、第1電極層31に接している。また、ソース領域50は、トレンチ14の側面においてゲート絶縁膜20に接している。 The source region 50 is an n-type region with a high concentration of n-type impurities. The source region 50 is in contact with the first electrode layer 31. The source region 50 is also in contact with the gate insulating film 20 on the side of the trench 14.

コンタクト領域52は、p型不純物濃度が高いp型領域である。コンタクト領域52は、第1電極層31に接している。 The contact region 52 is a p-type region with a high concentration of p-type impurities. The contact region 52 is in contact with the first electrode layer 31.

ボディ領域54は、コンタクト領域52よりも低いp型不純物濃度を有するp型領域である。ボディ領域54は、ソース領域50及びコンタクト領域52に対して下側から接している。ボディ領域54は、ソース領域50の下側でゲート絶縁膜20に接している。 The body region 54 is a p-type region having a lower p-type impurity concentration than the contact region 52. The body region 54 contacts the source region 50 and the contact region 52 from below. The body region 54 contacts the gate insulating film 20 below the source region 50.

ドリフト領域56は、ソース領域50よりも低いn型不純物濃度を有するn型領域である。ドリフト領域56は、ボディ領域54に対して下側から接している。ドリフト領域56は、ボディ領域54の下側でゲート絶縁膜20に接している。 The drift region 56 is an n-type region having a lower n-type impurity concentration than the source region 50. The drift region 56 contacts the body region 54 from below. The drift region 56 contacts the gate insulating film 20 on the lower side of the body region 54.

ドレイン領域58は、ドリフト領域56よりも高いn型不純物濃度を有するn型領域である。ドレイン領域58は、ドリフト領域56に対して下側から接している。ドレイン領域58は、下部電極40に接している。 The drain region 58 is an n-type region having a higher n-type impurity concentration than the drift region 56. The drain region 58 contacts the drift region 56 from below. The drain region 58 contacts the lower electrode 40.

次に、半導体装置10の製造方法について説明する。まず、半導体基板12に対してエピタキシャル成長、イオン注入等を行うことによって、ソース領域50、コンタクト領域52、ボディ領域54、ドリフト領域56、及び、ドレイン領域58を形成する。次に、半導体基板12の上面12aを選択的にエッチングすることによってトレンチ14を形成する。次に、図2に示すように、トレンチ14内にゲート電極22とゲート絶縁膜20を形成する。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device 10 will be described. First, the source region 50, contact region 52, body region 54, drift region 56, and drain region 58 are formed by performing epitaxial growth, ion implantation, and the like on the semiconductor substrate 12. Next, the upper surface 12a of the semiconductor substrate 12 is selectively etched to form a trench 14. Next, as shown in FIG. 2, a gate electrode 22 and a gate insulating film 20 are formed in the trench 14.

次に、図3に示すように、半導体基板12上に層間絶縁膜24を厚く形成する。ここでは、ゲート電極22の上部においてトレンチ14が層間絶縁膜24で埋め込まれるように層間絶縁膜24を成長させる。次に、図4に示すように、層間絶縁膜24をエッチングすることによって、半導体基板12の上面12a上の層間絶縁膜24を除去する。ここでは、トレンチ14内に層間絶縁膜24を残存させる。したがって、エッチング後の層間絶縁膜24の上面24aは、半導体基板12の上面12aよりも下側に位置する。エッチング後の層間絶縁膜24は、ゲート電極22の上面を覆っている。 Next, as shown in FIG. 3, a thick interlayer insulating film 24 is formed on the semiconductor substrate 12. Here, the interlayer insulating film 24 is grown so that the trench 14 is filled with the interlayer insulating film 24 above the gate electrode 22. Next, as shown in FIG. 4, the interlayer insulating film 24 is etched to remove the interlayer insulating film 24 on the upper surface 12a of the semiconductor substrate 12. Here, the interlayer insulating film 24 is left in the trench 14. Therefore, the upper surface 24a of the interlayer insulating film 24 after etching is located lower than the upper surface 12a of the semiconductor substrate 12. The interlayer insulating film 24 after etching covers the upper surface of the gate electrode 22.

次に、図5に示すように、スパッタリングによってウエハ上に第1金属層61を成長させる。第1金属層61は、ニッケルまたはチタンにより構成されている。ここでは、層間絶縁膜24の上面24aと半導体基板12の上面12aを覆うように第1金属層61を形成する。 Next, as shown in FIG. 5, a first metal layer 61 is grown on the wafer by sputtering. The first metal layer 61 is made of nickel or titanium. Here, the first metal layer 61 is formed so as to cover the upper surface 24a of the interlayer insulating film 24 and the upper surface 12a of the semiconductor substrate 12.

次に、ウエハを加熱することによって、第1金属層61と半導体基板12を反応させる。これによって、図6に示すように、半導体基板12の上面12a上の第1金属層61をシリサイド化させる。ここでは、上面12a上の第1金属層61全体をシリサイド化させる。上面12a上のシリサイド化した第1金属層61が、第1電極層31となる。第1金属層61がニッケルの場合には第1電極層31はニッケルシリサイドであり、第1金属層61がチタンの場合には第1電極層31はチタンシリサイドである。また、層間絶縁膜24(すなわち、酸化シリコン)と第1金属層61(すなわち、ニッケルまたはチタン)の間ではシリサイド化反応は生じない。したがって、層間絶縁膜24上にはシリサイド化していない第1金属層61が残存する。層間絶縁膜24上のシリサイド化していない第1金属層61が、第2電極層32となる。 Next, the wafer is heated to react the first metal layer 61 with the semiconductor substrate 12. As a result, as shown in FIG. 6, the first metal layer 61 on the upper surface 12a of the semiconductor substrate 12 is silicided. Here, the entire first metal layer 61 on the upper surface 12a is silicided. The silicided first metal layer 61 on the upper surface 12a becomes the first electrode layer 31. If the first metal layer 61 is nickel, the first electrode layer 31 is nickel silicide, and if the first metal layer 61 is titanium, the first electrode layer 31 is titanium silicide. Furthermore, no silicide reaction occurs between the interlayer insulating film 24 (i.e., silicon oxide) and the first metal layer 61 (i.e., nickel or titanium). Therefore, the first metal layer 61 that is not silicided remains on the interlayer insulating film 24. The first metal layer 61 that is not silicided on the interlayer insulating film 24 becomes the second electrode layer 32.

なお、シリサイド化前においてトレンチ14の側面の上端部に厚く第1金属層61が設けられていると、シリサイド化工程において図7に示すようにトレンチ14の側面に厚くシリサイド層31が成長し、シリサイド層31がトレンチ14の上部にオーバーハング状に成長する場合がある。このため、第1金属層61を形成する工程においては、トレンチ14の側面の上端部において第1金属層61の成長を抑制してもよい。トレンチ14の側面の上端部において第1金属層61の成長を抑制することで、シリサイド層31がトレンチ14の上部にオーバーハング状に成長することを防止できる。 If a thick first metal layer 61 is provided on the upper end of the side of the trench 14 before silicidation, the silicide layer 31 may grow thick on the side of the trench 14 as shown in FIG. 7 during the silicidation process, and the silicide layer 31 may grow in an overhanging shape on the upper part of the trench 14. For this reason, in the process of forming the first metal layer 61, the growth of the first metal layer 61 may be suppressed at the upper end of the side of the trench 14. By suppressing the growth of the first metal layer 61 at the upper end of the side of the trench 14, it is possible to prevent the silicide layer 31 from growing in an overhanging shape on the upper part of the trench 14.

シリサイド化工程の後に、図8に示すように、スパッタリングによって第1電極層31の上面と第2電極層32の上面32aにバリアメタル層34を成長させる。層間絶縁膜24の上部にシリサイド化していない第2電極層32が存在しているので、第2電極層32の上面と第1電極層31の上面の間の段差の高さが低い。したがって、バリアメタル層34が、第2電極層32の上面と第1電極層31の上面の間の段差で途切れることが防止される。すなわち、バリアメタル層34が、第2電極層32の上面32aから第1電極層31の上面に跨って連続的に分布する。ここでは、バリアメタル層34と第2電極層32の積層部の厚さT1が、半導体基板12の上面12aと層間絶縁膜24の上面24aの間の段差の高さH1よりも厚くなるようにバリアメタル層34を形成する。このような厚さでバリアメタル層34を形成することで、段差でバリアメタル層34が途切れることをより確実に防止できる。バリアメタル層34を第2電極層32の上面32aから第1電極層31の上面まで連続的に形成できるので、図10(d)に示すスリット状の隙間160が形成されることを防止できる。 After the silicidation process, as shown in FIG. 8, a barrier metal layer 34 is grown by sputtering on the upper surface of the first electrode layer 31 and the upper surface 32a of the second electrode layer 32. Since the unsilicidized second electrode layer 32 exists on the upper part of the interlayer insulating film 24, the height of the step between the upper surface of the second electrode layer 32 and the upper surface of the first electrode layer 31 is low. Therefore, the barrier metal layer 34 is prevented from being interrupted by the step between the upper surface of the second electrode layer 32 and the upper surface of the first electrode layer 31. That is, the barrier metal layer 34 is continuously distributed across the upper surface 32a of the second electrode layer 32 and the upper surface of the first electrode layer 31. Here, the barrier metal layer 34 is formed so that the thickness T1 of the laminated portion of the barrier metal layer 34 and the second electrode layer 32 is thicker than the height H1 of the step between the upper surface 12a of the semiconductor substrate 12 and the upper surface 24a of the interlayer insulating film 24. By forming the barrier metal layer 34 to such a thickness, it is possible to more reliably prevent the barrier metal layer 34 from being interrupted by steps. The barrier metal layer 34 can be formed continuously from the upper surface 32a of the second electrode layer 32 to the upper surface of the first electrode layer 31, so that the formation of the slit-shaped gap 160 shown in FIG. 10(d) can be prevented.

次に、バリアメタル層34上にアルミニウムシリサイドにより構成された第3電極層33を成長させる。これにより、図1に示すように上部電極30が完成する。その後、半導体基板12の下面12bに下部電極40を形成する。以上の工程により、図1に示す半導体装置10が製造される。 Next, a third electrode layer 33 made of aluminum silicide is grown on the barrier metal layer 34. This completes the upper electrode 30 as shown in FIG. 1. After that, a lower electrode 40 is formed on the lower surface 12b of the semiconductor substrate 12. Through the above steps, the semiconductor device 10 shown in FIG. 1 is manufactured.

この製造方法では、層間絶縁膜24の上部にスリット状の隙間が形成されないので、スリット状の隙間内に第3電極層33が充填されることがない。したがって、半導体装置10の使用時に層間絶縁膜24に高い熱応力が加わることが抑制される。これにより、層間絶縁膜24の劣化が抑制される。 In this manufacturing method, a slit-shaped gap is not formed in the upper part of the interlayer insulating film 24, so the third electrode layer 33 is not filled in the slit-shaped gap. This prevents high thermal stress from being applied to the interlayer insulating film 24 when the semiconductor device 10 is in use. This prevents deterioration of the interlayer insulating film 24.

なお、上述した実施形態では、図6に示すように、シリサイド化工程において、半導体基板12の上面12a上の第1金属層61の全体をシリサイド化した。しかしながら、図9に示すように、第1金属層61のうちの上面12aに接する部分のみをシリサイド化してもよい。すなわち、第1金属層61をシリサイド化させたシリサイド層61sの上部にシリサイド化していない第1金属層61(以下、未反応層61bという)が残存してもよい。この場合、第1電極層31は、シリサイド層61sと未反応層61bにより構成される。この場合には、バリアメタル層34は、未反応層61b上に形成される。 In the above embodiment, as shown in FIG. 6, the entire first metal layer 61 on the upper surface 12a of the semiconductor substrate 12 is silicided in the silicidation process. However, as shown in FIG. 9, only the portion of the first metal layer 61 that contacts the upper surface 12a may be silicided. That is, the first metal layer 61 that is not silicided (hereinafter, referred to as the unreacted layer 61b) may remain on top of the silicide layer 61s obtained by silicidating the first metal layer 61. In this case, the first electrode layer 31 is composed of the silicide layer 61s and the unreacted layer 61b. In this case, the barrier metal layer 34 is formed on the unreacted layer 61b.

また、上述した実施形態では、第1金属層61がニッケルまたはチタンにより構成されていた。しかしながら、第1金属層61はシリサイド化可能な金属であればどのような金属であってもよい。例えば、第1金属層61が、タンタル、コバルト、モリブデン、プラチナ等であってもよい。 In the above-described embodiment, the first metal layer 61 is made of nickel or titanium. However, the first metal layer 61 may be made of any metal that can be silicided. For example, the first metal layer 61 may be made of tantalum, cobalt, molybdenum, platinum, etc.

また、上述した実施形態では、バリアメタル層34がTiN層を有していた。しかしながら、TiN層の代わりに、TaN層をバリアメタル層として用いてもよい。 In the above-described embodiment, the barrier metal layer 34 has a TiN layer. However, instead of the TiN layer, a TaN layer may be used as the barrier metal layer.

上記実施形態の第3電極層33は、第2金属層の一例である。 The third electrode layer 33 in the above embodiment is an example of the second metal layer.

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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さまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わ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するものであり、そのうちの1つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。 Although the embodiments have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and variations of the specific examples given above. The technical elements described in this specification or drawings demonstrate technical utility either alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. Furthermore, the technology exemplified in this specification or drawings achieves multiple objectives simultaneously, and achieving one of these objectives is itself technically useful.

12:半導体基板、14:トレンチ、20:ゲート絶縁膜、22:ゲート電極、24:層間絶縁膜、31:第1電極層、32:第2電極層、33:第3電極層、34:バリアメタル層 12: Semiconductor substrate, 14: Trench, 20: Gate insulating film, 22: Gate electrode, 24: Interlayer insulating film, 31: First electrode layer, 32: Second electrode layer, 33: Third electrode layer, 34: Barrier metal layer

Claims (4)

半導体装置の製造方法であって、
半導体基板(12)とゲート電極(22)と層間絶縁膜(24)を有するウエハであって、前記半導体基板がシリコンを含んでおり、前記半導体基板の上面にトレンチ(14)が設けられており、前記ゲート電極が前記トレンチ内に配置されており、前記層間絶縁膜が前記トレンチ内に配置されているとともに前記ゲート電極の上面を覆っており、前記層間絶縁膜の上面が前記半導体基板の前記上面よりも下側に位置している前記ウエハを準備する工程と、
前記半導体基板の前記上面と前記層間絶縁膜の前記上面に第1金属層(61)を形成する工程と、
前記ウエハを加熱することによって前記第1金属層と前記半導体基板を反応させて前記第1金属層をシリサイド化させる工程であって、前記第1金属層が前記半導体基板の前記上面に接する部分においてシリサイド化するとともに前記層間絶縁膜の前記上面に接する部分においてシリサイド化しない工程と、
前記半導体基板の前記上面の上部と前記層間絶縁膜の上部において前記第1金属層上にバリアメタル層(34)を形成する工程と、
前記バリアメタル層上に第2金属層(33)を形成する工程、
を有する製造方法。
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
preparing a wafer having a semiconductor substrate (12), a gate electrode (22), and an interlayer insulating film (24), the semiconductor substrate including silicon, a trench (14) provided in an upper surface of the semiconductor substrate, the gate electrode being disposed in the trench, the interlayer insulating film being disposed in the trench and covering an upper surface of the gate electrode, and the upper surface of the interlayer insulating film being located below the upper surface of the semiconductor substrate;
forming a first metal layer (61) on the top surface of the semiconductor substrate and on the top surface of the interlayer insulating film;
a step of reacting the first metal layer with the semiconductor substrate by heating the wafer to silicide the first metal layer, wherein the first metal layer is silicided at a portion of the first metal layer that contacts the upper surface of the semiconductor substrate and is not silicided at a portion of the first metal layer that contacts the upper surface of the interlayer insulating film;
forming a barrier metal layer (34) on the first metal layer on an upper portion of the upper surface of the semiconductor substrate and on an upper portion of the interlayer insulating film;
forming a second metal layer (33) on the barrier metal layer;
The manufacturing method comprising the steps of:
前記層間絶縁膜の上部における前記第1金属層と前記バリアメタル層の積層部の厚さが、前記層間絶縁膜の前記上面と前記半導体基板の前記上面の間の段差の高さよりも厚い、請求項1に記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 1, wherein the thickness of the laminated portion of the first metal layer and the barrier metal layer in the upper part of the interlayer insulating film is greater than the height of the step between the upper surface of the interlayer insulating film and the upper surface of the semiconductor substrate. 半導体装置であって、
シリコンを含んでおり、上面にトレンチ(14)が設けられている半導体基板(12)と、
前記トレンチ内に配置されているゲート電極(22)と、
前記トレンチ内に配置されているとともに前記ゲート電極の上面を覆っている層間絶縁膜(24)であって、前記層間絶縁膜の上面が前記半導体基板の前記上面よりも下側に位置している前記層間絶縁膜と、
前記半導体基板の前記上面を覆っており、前記半導体基板の前記上面に接する部分に第1金属とシリコンの合金により構成されているシリサイド層を有する第1電極層(31)と、
前記トレンチ内に配置されており、前記層間絶縁膜の前記上面を覆っており、前記第1金属により構成されている第2電極層(32)であって、前記第2電極層の上面が前記第1電極層の上面よりも下側に位置している前記第2電極層と、
前記第1電極層と前記第2電極層を覆っているバリアメタル層(34)と、
前記バリアメタル層を覆っている第3電極層(33)、
を有する半導体装置。
A semiconductor device comprising:
a semiconductor substrate (12) comprising silicon and having a trench (14) formed on an upper surface thereof;
a gate electrode (22) disposed within the trench;
an interlayer insulating film (24) disposed in the trench and covering an upper surface of the gate electrode, the upper surface of the interlayer insulating film being located lower than the upper surface of the semiconductor substrate;
a first electrode layer (31) covering the upper surface of the semiconductor substrate and having a silicide layer made of an alloy of a first metal and silicon in a portion in contact with the upper surface of the semiconductor substrate;
a second electrode layer (32) disposed in the trench, covering the upper surface of the interlayer insulating film, and made of the first metal, the second electrode layer having an upper surface located lower than an upper surface of the first electrode layer;
a barrier metal layer (34) covering the first electrode layer and the second electrode layer;
A third electrode layer (33) covering the barrier metal layer;
A semiconductor device having the above structure.
前記層間絶縁膜の上部における前記第2電極層と前記バリアメタル層の積層部の厚さが、前記層間絶縁膜の前記上面と前記半導体基板の前記上面の間の段差の高さよりも厚い、請求項3に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 3, wherein the thickness of the laminated portion of the second electrode layer and the barrier metal layer in the upper part of the interlayer insulating film is greater than the height of the step between the upper surface of the interlayer insulating film and the upper surface of the semiconductor substrate.
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