JP3701227B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、パワーデバイスのチャネルストップ構造及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
パワーMOSFETや絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ等のパワーデバイスが形成されたチップの周縁領域には、半導体装置の耐圧を保持するために、主接合から延びてきた空乏層がチップの周縁領域にまで延在して形成されることを抑制するためのチャネルストップ構造が形成されている。最近の調査によって、半導体装置の耐圧の安定化を図るためには、チャネルストップ構造が重要であることが判明してきた。
【0003】
図26は、第1の従来のチャネルストップ構造を示す断面図である。チップのエッジ151付近(周縁部分)におけるN-形シリコン基板150の上面内には、リンやヒ素等の不純物が高濃度に導入されたN+形不純物導入領域152が形成されている。
【0004】
図27は、第2の従来のチャネルストップ構造を示す断面図である。N-形シリコン基板150の上面上には、チップの周縁部分を除いて、シリコン酸化膜153が形成されている。シリコン酸化膜153から露出している部分のN-形シリコン基板150の上面154内には、N+形不純物導入領域152が形成されている。N-形シリコン基板150の上面154上には、アルミニウム電極155が形成されている。アルミニウム電極155はシリコン酸化膜153上に延在して形成されており、フィールドプレートを構成している。このようなチャネルストップ構造は、例えば、プレーナ型のバイポーラトランジスタが形成されている半導体装置において採用されている。
【0005】
図28は、第3の従来のチャネルストップ構造を示す断面図である。N-形シリコン基板150の上面上には、チップの周縁部分を除いて、シリコン酸化膜156が形成されている。シリコン酸化膜156から露出している部分のN-形シリコン基板150の上面157内には、N+形不純物導入領域152が形成されている。N-形シリコン基板150の上面157上には、ポリシリコン膜158が形成されている。ポリシリコン膜158はシリコン酸化膜156上に延在して形成されており、第1のフィールドプレートを構成している。N-形シリコン基板150の上面157の一部(最周縁部分)は、ポリシリコン膜158から露出している。
【0006】
また、シリコン酸化膜156上に形成されている部分のポリシリコン膜158上、及び、ポリシリコン膜158が形成されていない部分のシリコン酸化膜156上には、シリコン酸化膜159が形成されている。N-形シリコン基板150の上面157の最周縁部分上には、アルミニウム電極160が形成されている。
アルミニウム電極160は、ポリシリコン膜158にも接触しており、また、シリコン酸化膜159上に延在して形成されて、第2のフィールドプレートを構成している。このような2重のフィールドプレートを有するチャネルストップ構造は、例えば、ポリシリコンから成るゲート電極を有するプレーナ型のMOSFETが形成されている半導体装置において採用されている。
【0007】
図29は、第4の従来のチャネルストップ構造を示す断面図である。N-形シリコン基板150の上面上には、チップの周縁部分を除いて、シリコン酸化膜161が形成されている。シリコン酸化膜161のエッジ151側の端部は、膜厚が薄くなっている。シリコン酸化膜161から露出している部分のN-形シリコン基板150の上面162内には、N+形不純物導入領域152が形成されている。N-形シリコン基板150の上面162上には、ポリシリコン膜163が形成されている。ポリシリコン膜163はシリコン酸化膜161上に延在して形成されており、階段状の第1のフィールドプレートを構成している。N-形シリコン基板150の上面162の最周縁部分は、ポリシリコン膜163から露出している。
【0008】
また、シリコン酸化膜161上に形成されている部分のポリシリコン膜163上、及び、ポリシリコン膜163が形成されていない部分のシリコン酸化膜161上には、シリコン酸化膜164が形成されている。N-形シリコン基板150の上面162の最周縁部分上には、アルミニウム電極165が形成されている。
アルミニウム電極165は、ポリシリコン膜163にも接触しており、また、シリコン酸化膜164上に延在して形成されて、第2のフィールドプレートを構成している。ポリシリコンから成るゲート電極を有するプレーナ型のMOSFETが形成されている半導体装置において、最近では、図29に示した2重のフィールドプレートを有するチャネルストップ構造が採用されている。
【0009】
図30は、第5の従来のチャネルストップ構造を示す断面図である(特開平8−264787号公報参照)。P+形基板200上には、P-形エピタキシャル層201が形成されている。P-形エピタキシャル層201の上面上には、チップのエッジ202部分を除いて、フィールド酸化膜205が形成されている。フィールド酸化膜205から露出している部分のP-形エピタキシャル層201の上面内には、P形拡散層207が形成されている。
【0010】
P形拡散層207が形成されている部分のP-形エピタキシャル層201の上面内には、P形拡散層207よりも深いトレンチ203が形成されている。トレンチ203の内壁上、及びフィールド酸化膜205から露出している部分のP-形エピタキシャル層201の上面上には、フィールド酸化膜205よりも膜厚が薄い、酸化物から成る絶縁層204が形成されている。また、絶縁層204が形成されたトレンチ203内を充填し、かつ、フィールド酸化膜205上に延びてフィールドプレートを構成するように、ドープトポリシリコン膜208が形成されている。また、ドープトポリシリコン膜208及びフィールド酸化膜205を覆って、BPSG層206が形成されている。
【0011】
上記公報において、かかるチャネルストップ構造は、能動部におけるP-形エピタキシャル層201の上面内に形成されたトレンチと、該トレンチの内壁上に形成されたゲート酸化膜と、トレンチ内を充填して形成されたドープトポリシリコンから成るゲート電極とを有する(即ち、トレンチ型の絶縁ゲートを有する)トランジスタが形成されている半導体装置に採用されている。
【0012】
上記公報には、Pチャネル型のMOSFETにおける「チャネリング」という問題について記載されている。具体的には、「チャネリングは酸化膜およびその直下の基板上面部分の中の固定の電荷の量に左右される。この種の固定電荷は酸化工程で空乏化される。しかし、この空乏化が反転(チャネリング)を可能にする。」「これは酸化工程中に基板主表面からホウ素が分離することに起因するものであり、このホウ素が原因で基板主表面のP型電荷が少なくなるのである。」「ホウ素をドーパントした場合にこれが問題になることが判った。」と記載されている。
【0013】
そして、チャネリングの解決策として上記図30に示した構造が示されており、フィールド酸化膜205の膜厚よりも絶縁層204の膜厚を薄くすることで、P-形エピタキシャル層201の上部から絶縁層204へのホウ素の空乏化が、フィールド酸化膜205への空乏化よりも少なくなり、これによってチャネリングが抑制される旨が記載されている。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記第1〜第4の従来のチャネルストップ構造によると、主接合から延びてきた空乏層がチップの周縁領域にまで延在して形成されることを抑制する効果が不十分であり、その結果、半導体装置の耐圧を安定化する効果が不十分であるという問題があった。
【0015】
また、上記第5の従来のチャネルストップ構造に関し、上記公報には、P-形エピタキシャル層201内にP形拡散層207が形成されている場合についてのみ記載されているので、N形シリコン基板(N形エピタキシャル層を含む)内にN形拡散層を形成した場合に、同様の効果が得られるのか否かが不明であるという問題があった。特に、P形とは異なりN形の場合は、酸化工程でN形不純物がシリコン基板表面に偏析されるので、酸化工程によるチャネリングは考えられない。
【0016】
本発明はかかる問題を解決するために成されたものであり、トレンチ型の絶縁ゲートを有するトランジスタを備え、N形半導体基板を用いた半導体装置において、耐圧を安定化する効果に優れたチャネルストップ構造を備える半導体装置及びその製造方法を得ることを目的とするものである。
【0017】
【課題を解決するための手段】
この発明のうち請求項1に記載の半導体装置は、N形の半導体基板と、半導体基板の主面内に形成されて半導体基板との間で主接合を構成するP形の第1の不純物導入領域を有するトランジスタと、半導体基板の周縁部に形成されたチャネルストップ構造とを備える半導体装置であって、チャネルストップ構造は、半導体基板の主面内に形成された第1のトレンチと、第1のトレンチが形成されている部分の半導体基板の主面内に形成されたN形の第2の不純物導入領域とを有することを特徴とするものである。
【0019】
また、この発明のうち請求項2に記載の半導体装置は、請求項1に記載の半導体装置であって、チャネルストップ構造は、第1のトレンチの内壁上に形成された第1の絶縁膜と、第1のトレンチ内を充填して形成された第1の導電膜とをさらに有することを特徴とするものである。
【0020】
また、この発明のうち請求項3に記載の半導体装置は、請求項2に記載の半導体装置であって、チャネルストップ構造は、絶縁膜を介して半導体基板の主面上に形成され、第1の導電膜及び半導体基板の主面に接触し、主接合に向かって延びる第2の導電膜をさらに有することを特徴とするものである。
【0021】
また、この発明のうち請求項4に記載の半導体装置は、請求項2又は3に記載の半導体装置であって、第1の導電膜の材質はポリシリコンであることを特徴とするものである。
【0022】
また、この発明のうち請求項5に記載の半導体装置は、請求項2に記載の半導体装置であって、チャネルストップ構造は、絶縁膜を介して半導体基板の主面上に形成され、第1の導電膜及び半導体基板の主面に接触し、主接合に向かって延びる第2の導電膜と、絶縁膜を介して第2の導電膜上に形成され、第1の導電膜及び半導体基板の主面に接触し、主接合に向かって延びる第3の導電膜とをさらに有することを特徴とするものである。
【0023】
また、この発明のうち請求項6に記載の半導体装置は、請求項2〜5のいずれか一つに記載の半導体装置であって、トランジスタは、半導体基板の主面内に形成され、トランジスタのソース又はエミッタとして機能する、N形の第3の不純物導入領域と、第3の不純物導入領域が形成されている部分の半導体基板の主面内に形成された第2のトレンチと、第2のトレンチの内壁上に形成され、トランジスタのゲート絶縁膜として機能する第2の絶縁膜と、第2のトレンチ内を充填して形成され、トランジスタのゲート電極として機能する第4の導電膜とをさらに有しており、チャネルストップ構造は、第2の不純物導入領域よりも深く半導体基板の主面内に形成された、P形の第4の不純物導入領域をさらに有することを特徴とするものである。
【0024】
また、この発明のうち請求項7に記載の半導体装置は、請求項6に記載の半導体装置であって、第1のトレンチの開孔幅と第2のトレンチの開孔幅とは互いに等しいことを特徴とするものである。
【0025】
また、この発明のうち請求項8に記載の半導体装置は、請求項6に記載の半導体装置であって、第1の導電膜の材質と第4の導電膜の材質とは互いに等しいことを特徴とするものである。
【0026】
また、この発明のうち請求項9に記載の半導体装置の製造方法は、(a)トランジスタが形成される第1領域と、チャネルストップ構造が形成される第2領域とを有する、N形の半導体基板を準備する工程と、(b)半導体基板との間で主接合を構成するP形の第1の不純物導入領域を、第1領域における半導体基板の主面内に形成する工程と、(c)N形の第2の不純物導入領域を、第2領域における半導体基板の主面内に形成する工程と、(d)第2の不純物導入領域が形成されている部分の半導体基板の主面内に、第1のトレンチを形成する工程とを備えるものである。
【0027】
また、この発明のうち請求項10に記載の半導体装置の製造方法は、請求項9に記載の半導体装置の製造方法であって、(e)第1のトレンチの内壁上に第1の絶縁膜を形成する工程と、(f)工程(e)よりも後に実行され、第1のトレンチ内を充填して第1の導電膜を形成する工程とさらに備えることを特徴とするものである。
【0028】
また、この発明のうち請求項11に記載の半導体装置の製造方法は、請求項10に記載の半導体装置の製造方法であって、(g)第1の導電膜及び半導体基板の主面に接触し、主接合に向かって延びる第2の導電膜を、絶縁膜を介して第2領域における半導体基板の主面上に形成する工程をさらに備えることを特徴とするものである。
【0029】
また、この発明のうち請求項12に記載の半導体装置の製造方法は、請求項10又は11に記載の半導体装置の製造方法であって、(h)トランジスタのソース又はエミッタとして機能する、N形の第3の不純物導入領域を、第1領域における半導体基板の主面内に形成する工程と、(i)第3の不純物導入領域が形成されている部分の半導体基板の主面内に、第2のトレンチを形成する工程と、(j)トランジスタのゲート絶縁膜として機能する第2の絶縁膜を、第2のトレンチの内壁上に形成する工程と、(k)工程(j)よりも後に実行され、第2のトレンチ内を充填し、トランジスタのゲート電極として機能する第4の導電膜を形成する工程と、(l)P形の第4の不純物導入領域を、第2領域における半導体基板の主面内に前記第2の不純物導入領域よりも深く形成する工程とをさらに備えることを特徴とするものである。
【0030】
また、この発明のうち請求項13に記載の半導体装置の製造方法は、請求項12に記載の半導体装置の製造方法であって、工程(b)と工程(l)とは同一の工程によって実行されることを特徴とするものである。
【0031】
また、この発明のうち請求項14に記載の半導体装置の製造方法は、請求項12又は13に記載の半導体装置の製造方法であって、工程(c)と工程(h)とは同一の工程によって実行されることを特徴とするものである。
【0032】
また、この発明のうち請求項15に記載の半導体装置の製造方法は、請求項12〜14のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法であって、工程(d)と工程(i)とは同一の工程によって実行されることを特徴とするものである。
【0033】
また、この発明のうち請求項16に記載の半導体装置の製造方法は、請求項12〜15のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法であって、工程(e)と工程(j)とは同一の工程によって実行されることを特徴とするものである。
【0034】
また、この発明のうち請求項17に記載の半導体装置の製造方法は、請求項12〜16のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法であって、工程(f)と工程(k)とは同一の工程によって実行されることを特徴とするものである。
【0035】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1は、パワーデバイスが形成されたチップ100の構造を模式的に示す上面図である。チップ100上の所定箇所にゲートパッド101が形成されており、ゲートパッド101はゲート配線102に接続されている。ゲート配線102は、チップ100の周縁に沿って枠状に形成された配線102aと、配線102aの枠によって囲まれる領域103内において所定方向(紙面の上下方向)に延在し、両端が配線102aに繋がる、等間隔かつ平行に配設された複数の配線102bとを備えている。配線102aは、チップ100のエッジ104の若干内側に形成されている。
【0036】
図2は、図1に示した領域X、即ちチップ100のエッジ104付近の構造を拡大して示す上面図である。領域AR1は、パワーデバイスが形成されている領域である。エッジ104側で領域AR1に隣接する領域AR2は、主接合の電界を緩和するための構造が形成されている領域である。エッジ104を含む領域AR3は、チャネルストップ構造が形成されている領域である。
【0037】
図3は、図2に示した領域AR1内に形成されているパワーデバイスの構造を示す断面図である。図3には、互いに隣接する2つのパワーMOSFETが示されている。また、図3では、パワーデバイスの一例としてパワーMOSFETを示したが、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ等の他のパワーデバイスが形成されていてもよい。
【0038】
図3に示すように、パワーMOSFETは、(a)N-形シリコン基板1の上面に形成されてN-形シリコン基板1との間で主接合を構成する、ボロン等の不純物が導入されたP形不純物導入領域20と、(b)P形不純物導入領域20よりも浅くN-形シリコン基板1の上面内に形成された、N+形のソース領域(バイポーラトランジスタの場合はエミッタ領域となる)24と、(c)ソース領域24が形成されている部分のN-形シリコン基板1の上面内において、P形不純物導入領域20よりも深く形成されたトレンチ21と、(d)トレンチ21の内壁上に形成され、パワーMOSFETのゲート絶縁膜として機能するシリコン酸化膜22と、(e)トレンチ21内を充填して形成されたポリシリコン膜23とを備えている。ポリシリコン膜23は、パワーMOSFETのゲート電極として機能し、図1に示した配線102bに対応する。なお、図3にはNチャネルのパワーMOSFETが示されているが、PチャネルのパワーMOSFETが形成されていてもよい。
【0039】
また、N-形シリコン基板1の上面上には、ポリシリコン膜23の上面を覆ってシリコン酸化膜25が形成されている。ソース領域24の上面の一部は、シリコン酸化膜25から露出している。N-形シリコン基板1の上面上には、シリコン酸化膜25を覆って、アルミニウム電極26が形成されている。アルミニウム電極26は、シリコン酸化膜25から露出している部分のソース領域24の上面に接触している。
【0040】
図4は、図2に示した領域AR2内に形成されている構造の第1の例として、ガードリング構造を示す断面図である。N-形シリコン基板1の上面内には、複数のP形不純物導入領域112が互いに離間して形成されている。また、N-形シリコン基板1の上面上には、複数のシリコン酸化膜111が互いに離間して形成されている。
【0041】
図5は、図2に示した領域AR2内に形成されている構造の第2の例として、フィールドプレート構造を示す断面図である。N-形シリコン基板1の上面上には、シリコン酸化膜114が形成されている。また、シリコン酸化膜114から露出している部分のN-形シリコン基板1の上面上において、P形不純物導入領域20上にはポリシリコン膜115が形成されている。ポリシリコン膜115はシリコン酸化膜114上にも延在して形成されて、フィールドプレートを構成している。N-形シリコン基板1上には、ポリシリコン膜115及びシリコン酸化膜114を覆ってシリコン酸化膜116が形成されている。また、シリコン酸化膜116から露出している部分のN-形シリコン基板1上には、アルミニウム電極117が形成されており、アルミニウム電極117はシリコン酸化膜116上にも延在している。
【0042】
図6は、図2に示した領域AR3内に形成されている、本発明の実施の形態1に係るチャネルストップ構造を示す断面図である。N-形シリコン基板1の上面上には、チップの周縁部分を除いて、シリコン酸化膜2が形成されている。シリコン酸化膜2から露出している部分のN-形シリコン基板1の上面3内には、N+形不純物導入領域4が形成されている。
【0043】
N-形シリコン基板1の上面3内には、N+形不純物導入領域4よりも深いトレンチ5が形成されている。トレンチ5の内壁(側壁及び底壁)上には、薄膜状のシリコン酸化膜6が形成されている。また、シリコン酸化膜6が形成されたトレンチ5内を充填して、ポリシリコン膜7が形成されている。N-形シリコン基板1の上面3上には、アルミニウム電極8が形成されている。アルミニウム電極8は、ポリシリコン膜7の上面及びN-形シリコン基板1の上面3に接触している。また、アルミニウム電極8はシリコン酸化膜2上に延在して形成されており、フィールドプレートを構成している。
【0044】
図7〜10は、本実施の形態1に係るチャネルストップ構造の形成方法を工程順に示す断面図である。図7を参照して、まず、N-形シリコン基板1を準備する。図8を参照して、次に、CVD法によって、N-形シリコン基板1の上面上の全面に、シリコン酸化膜を形成する。次に、写真製版法及び異方性ドライエッチング法によって、このシリコン酸化膜をパターニングする。これにより、シリコン酸化膜2が形成されて、N-形シリコン基板1の上面3が露出する。次に、シリコン酸化膜2をエッチングマスクに用いて、イオン注入法によって、リンやヒ素等の不純物をN-形シリコン基板1の上面3内に注入する。次に、注入した不純物を熱拡散させることにより、N-形シリコン基板1の上面3内にN+形不純物導入領域4を形成する。
【0045】
図9を参照して、次に、写真製版法及び異方性ドライエッチング法によって、N-形シリコン基板1の上面3内に、N+形不純物導入領域4よりも深いトレンチ5を形成する。図10を参照して、次に、トレンチ5の内壁を熱酸化することにより、シリコン酸化膜6を形成する。次に、CVD法によって、トレンチ5の内部を充填し得る膜厚で全面にポリシリコン膜を形成する。次に、N-形シリコン基板1の上面3が露出するまで、ポリシリコン膜をエッチングによって除去する。これにより、トレンチ5内に形成されていた部分のポリシリコン膜のみがエッチングされずに残り、トレンチ5内を充填するポリシリコン膜7が形成される。
【0046】
次に、スパッタ法によってアルミニウム膜を全面に形成し、写真製版法及び異方性ドライエッチング法によってこのアルミニウム膜をパターニングする。これによりアルミニウム電極8が形成されて、図6に示した構造が得られる。
【0047】
以下、本実施の形態1に係るチャネルストップ構造の効果について検証したシミュレーション結果について述べる。図11〜14は、シミュレーションに用いた構造を示す断面図である。
【0048】
図11に示した構造は、図26に示した従来のチャネルストップ構造に対応する構造である。N-形シリコン基板50の上面内には、主接合を構成するP形不純物導入領域52と、N+形不純物導入領域152に対応するN+形不純物導入領域53とが形成されている。P形不純物導入領域52とN+形不純物導入領域53とは、互いに50μmの距離を離して形成されている。N+形不純物導入領域53の不純物濃度は5E13cm-3である。N-形シリコン基板50の上面上には、P形不純物導入領域52に接触する電極54と、N+形不純物導入領域53に接触する電極55とが形成されており、両電極間にはシリコン酸化膜51が形成されている。また、N-形シリコン基板50の裏面には、電極56が形成されている。
【0049】
図12に示した構造は、図27に示した従来のチャネルストップ構造に対応する構造である。図11に示した電極55の代わりに、シリコン酸化膜51上に延在してフィールドプレートを構成する電極60が形成されている。
【0050】
図13に示した構造は、図29に示した従来のチャネルストップ構造に類似する構造である。図11に示したシリコン酸化膜51の代わりに、N+形不純物導入領域53側の端部に薄膜部70aを有するシリコン酸化膜70が形成されている。そして、図11に示した電極55の代わりに、シリコン酸化膜70上に延在してフィールドプレートを構成する階段状の電極71が形成されている。
【0051】
図14に示した構造は、本実施の形態1に係るチャネルストップ構造に対応する構造である。N+形不純物導入領域53が形成されている部分のN-形シリコン基板50の上面内に、図6に示したトレンチ5、シリコン酸化膜6、ポリシリコン膜7にそれぞれ対応する、トレンチ80、シリコン酸化膜81、ポリシリコン膜82が形成されている。また、図11に示した電極55の代わりに、シリコン酸化膜51上に延在してフィールドプレートを構成する電極60が形成されている。
【0052】
図11〜14に示した各構造について、N-形シリコン基板50の表面の電荷量QSSを3段階(0,−1E11,−1E12)に変化させて、各状態での耐圧VCESをそれぞれ測定した。図11〜14には、シミュレーションの結果も併せて示している。
【0053】
各図に示したシミュレーション結果から分かるように、QSSが0又は−1E11の場合は、全ての構造でVCESはほぼ同じである。これは、QSSが0又は−1E11の場合は、主接合の空乏層の曲率によって耐圧が決まるからである。
【0054】
一方、QSSが−1E12の場合は、図11に示した従来構造でVCESが極端に低下している。これは、主接合の空乏層がN+形不純物導入領域53にまで延びてN+形不純物導入領域53の電界が高くなったことに起因して、耐圧が低下したためである。逆に、図12,13に示した従来構造に関しては、QSSが−1E12の場合にVCESが上昇している。これは、主接合の空乏層の延びがフィールドプレートによって抑制されたためである。また、階段状の電極71が形成されている図13に示した従来構造の方が、図12に示した従来構造よりもVCESの上昇の程度が大きいことも分かる。
【0055】
図14に示した構造に関しては、QSSが−1E12の場合、図12,13に示した従来構造よりもVCESが高くなっている。図12と図14とを比較すると分かるように、シリコン酸化膜81及びポリシリコン膜82が内部に形成されたトレンチ80を追加することによって、VCESが70V程度も高くなっている。即ち、このシミュレーション結果は、トレンチ5を形成することによって、主接合からの空乏層の延びが抑制されたことを示している。
【0056】
本実施の形態1に係る半導体装置の効果をさらに詳しく検証する。図15〜17は、それぞれ図12〜14に示した構造に対応させて、QSS=−1E12、VCES=500Vの時のポテンシャル分布を示す図である。図15を参照して、図12に示した構造では、電極60によるフィールドプレートによって、電界が抑制されていることが分かる。図16を参照して、図13に示した構造では、電極71によるフィールドプレートによって、電界が抑制されていることが分かる。しかしながら、図12,13に示した構造ではいずれも、表面のみで電界が抑制されている。これに対し、図17を参照して、図14に示した構造では、電極60によるフィールドプレートと、トレンチ80とによって、電界が3次元的に抑制されていることが分かる。なお、従来技術の説明で述べた特開平8−264787号公報に記載された半導体装置では、P-形エピタキシャル層201の上面におけるチャネリングを対象としており、チャネリングはシリコンと絶縁層との界面に沿って進行するため、本実施の形態1に係る半導体装置のような3次元的効果は開示されていない。
【0057】
このように本実施の形態1に係る半導体装置及びその製造方法によれば、N-形シリコン基板1を用いて形成されたチャネルストップ構造は、N+形不純物導入領域4のみならず、トレンチ5を有している。そのため、主接合からチップのエッジ104に向かって伸びてきた空乏層をトレンチ5によって3次元的に抑制することができ、半導体装置の耐圧の安定化を図ることができる。
【0058】
実施の形態2.
図18は、本発明の実施の形態2に係るチャネルストップ構造を示す断面図である。N-形シリコン基板1の上面上には、チップの周縁部分を除いて、シリコン酸化膜10が形成されている。シリコン酸化膜10から露出している部分のN-形シリコン基板1の上面3内には、N+形不純物導入領域4が形成されている。
N-形シリコン基板1の上面3内には、N+形不純物導入領域4よりも深いトレンチ5が形成されている。トレンチ5の内壁上には、薄膜状のシリコン酸化膜6が形成されている。また、シリコン酸化膜6が形成されたトレンチ5内を充填して、ポリシリコン膜11が形成されている。ポリシリコン膜11は、N-形シリコン基板1の上面3上、及び主接合に向かってシリコン酸化膜10上に延在して形成されており、第1のフィールドプレートを構成している。N-形シリコン基板1の上面3の一部(最周縁部分)は、ポリシリコン膜11から露出している。
【0059】
また、シリコン酸化膜10上に形成されている部分のポリシリコン膜11上、及び、ポリシリコン膜11が形成されていない部分のシリコン酸化膜10上には、シリコン酸化膜12が形成されている。N-形シリコン基板1の上面3の最周縁部分上には、アルミニウム電極13が形成されている。アルミニウム電極13は、ポリシリコン膜11にも接触しており、また、主接合に向かってシリコン酸化膜12上に延在して形成されて、第2のフィールドプレートを構成している。
【0060】
このように本実施の形態2に係る半導体装置によれば、チャネルストップ構造には、第1のフィールドプレートとして機能するポリシリコン膜11が形成されている。そのため、上記実施の形態1に係るチャネルストップ構造と比較すると、主接合からチップのエッジ104に向かって伸びてきた空乏層を抑制する効果が高まり、半導体装置の耐圧のさらなる安定化を図ることができる。
【0061】
実施の形態3.
図19は、本発明の実施の形態3に係るチャネルストップ構造を示す断面図である。本実施の形態3に係るチャネルストップ構造は、図18に示した上記実施の形態2に係るチャネルストップ構造に、P形不純物導入領域15を追加したものである。P形不純物導入領域15は、N-形シリコン基板1の上面3内において、N+形不純物導入領域4よりも深く、かつトレンチ5よりも浅く形成されている。
【0062】
図20〜25は、本実施の形態3に係るチャネルストップ構造の形成方法を工程順に示す断面図である。なお、以下の説明では適宜図3を参照する。図20を参照して、まず、N-形シリコン基板1を準備する。次に、上記実施の形態1と同様の方法により、N-形シリコン基板1の上面上にシリコン酸化膜10を形成する。
【0063】
次に、イオン注入法によって、リンやヒ素等の不純物をN-形シリコン基板1の上面3内に注入する。この時、所定の開口パターンを有するフォトレジストを、写真製版法によって領域AR1内におけるN-形シリコン基板1の上面上に予め形成しておくことにより、パワーMOSFETのソース領域24を形成するためのイオン注入も併せて行われる。次に、注入した不純物を熱拡散させることにより、N-形シリコン基板1の上面内に、深さが互いに等しいN+形不純物導入領域4及びソース領域24を形成する。その後、フォトレジストを除去する。
【0064】
図21を参照して、次に、ボロン等の不純物をN-形シリコン基板1の上面3内に注入する。この時、所定の開口パターンを有するフォトレジストを、写真製版法によってN-形シリコン基板1の上面上に予め形成しておくことにより、パワーMOSFETのP形不純物導入領域20を形成するためのイオン注入も併せて行われる。次に、注入した不純物を熱拡散させることにより、N-形シリコン基板1の上面内に、深さが互いに等しいP形不純物導入領域15,20を形成する。その後、フォトレジストを除去する。
【0065】
図22を参照して、次に、写真製版法及び異方性ドライエッチング法によって、N-形シリコン基板1の上面3内に、P形不純物導入領域15よりも深いトレンチ5を形成する。また、これとともに、領域AR1内におけるN-形シリコン基板1の上面内に、P形不純物導入領域20よりも深いトレンチ21を併せて形成する。トレンチ5の開孔幅とトレンチ21の開孔幅とを等しくすることにより、両トレンチ5,21の深さを互いに等しくすることができる。
【0066】
図23を参照して、次に、トレンチ5の内壁を熱酸化することにより、シリコン酸化膜6を形成する。また、これとともに、トレンチ21の内壁を熱酸化することにより、シリコン酸化膜22を併せて形成する。
【0067】
図24を参照して、次に、CVD法によって、トレンチ5,21の内部を充填し得る膜厚で全面にポリシリコン膜を形成する。次に、写真製版法及び異方性ドライエッチング法によって、このポリシリコン膜をパターニングする。これにより、領域AR3内においてポリシリコン膜11が形成されるとともに、領域AR1内においてポリシリコン膜23が形成される。
【0068】
図25を参照して、次に、CVD法によって全面にシリコン酸化膜を形成する。次に、写真製版法及び異方性ドライエッチング法によって、このシリコン酸化膜をパターニングする。これにより、領域AR3内においてシリコン酸化膜12が形成されるとともに、領域AR1内においてシリコン酸化膜25が形成される。
【0069】
次に、スパッタ法によってアルミニウム膜を全面に形成する。次に、写真製版法及び異方性ドライエッチング法によって、このアルミニウム膜をパターニングする。これにより、領域AR3内においてアルミニウム電極13が形成されて、図19に示した構造が得られるとともに、領域AR1内においてアルミニウム電極26が形成されて、図3に示した構造が得られる。
【0070】
このように本実施の形態3に係る半導体装置の製造方法によれば、図3に示したパワーMOSFETを製造する一連の工程において、追加の工程を伴うことなく図19に示したチャネルストップ構造を併せて形成することができる。そのため、パワーMOSFETの製造工程とは別工程でチャネルストップ構造を形成する場合と比較すると、製造コストの低減を図ることができる。
【0071】
【発明の効果】
この発明のうち請求項1に係るものによれば、チャネルストップ構造は、半導体基板の主面内に形成された第1のトレンチを有している。そのため、主接合から半導体基板の周縁部に向かって延びてきた空乏層を、第1のトレンチによって抑制することができ、半導体装置の耐圧の安定化を図ることができる。
【0072】
また、この発明のうち請求項1に係るものによれば、チャネルストップ構造は、第1のトレンチのみならず、半導体基板の主面内に形成されたN形の第2の不純物導入領域を有している。そのため、主接合から半導体基板の周縁部に向かって延びてきた空乏層をさらに抑制することができ、半導体装置の耐圧のさらなる安定化を図ることができる。
【0073】
また、この発明のうち請求項2に係るものによれば、第1のトレンチ内には第1の絶縁膜を介して第1の導電膜が形成されているため、主接合から延びてきた空乏層を抑制する効果が高まり、半導体装置の耐圧のさらなる安定化を図ることができる。
【0074】
また、この発明のうち請求項3に係るものによれば、チャネルストップ構造は、フィールドプレートとして機能する第2の導電膜を有しているため、主接合から延びてきた空乏層を抑制する効果が高まり、半導体装置の耐圧のさらなる安定化を図ることができる。
【0075】
また、この発明のうち請求項4に係るものによれば、第1の導電膜の材質がポリシリコンであるため、第1のトレンチ内を充填する導電膜を、容易に製造することができる。
【0076】
また、この発明のうち請求項5に係るものによれば、チャネルストップ構造は、いずれもフィールドプレートとして機能する第2及び第3の導電膜を有しているため、主接合から延びてきた空乏層を抑制する効果が高まり、半導体装置の耐圧のさらなる安定化を図ることができる。
【0077】
また、この発明のうち請求項6に係るものによれば、トランジスタの構成要素とチャネルストップ構造の構成要素とが互いに等しいため、トランジスタを製造する一連の工程において、追加の工程を伴うことなくチャネルストップ構造を併せて形成することができる。そのため、トランジスタの製造工程とは別工程でチャネルストップ構造を形成する場合と比較すると、製造コストの低減を図ることができる。
【0078】
また、この発明のうち請求項7に係るものによれば、深さが互いに等しい第1及び第2のトレンチを、同一の工程によって形成することが可能となる。
【0079】
また、この発明のうち請求項8に係るものによれば、第1の導電膜と第4の導電膜とを同一の工程によって形成することが可能となる。
【0080】
また、この発明のうち請求項9に係るものによれば、チャネルストップ構造は、N形の第2の不純物導入領域のみならず、半導体基板の主面内に形成された第1のトレンチを有している。そのため、主接合から半導体基板の周縁部に向かって延びてきた空乏層を、第1のトレンチによって抑制することができ、半導体装置の耐圧の安定化を図ることができる。
【0081】
また、この発明のうち請求項10に係るものによれば、第1のトレンチ内には第1の絶縁膜を介して第1の導電膜が形成されているため、主接合から延びてきた空乏層を抑制する効果が高まり、半導体装置の耐圧のさらなる安定化を図ることができる。
【0082】
また、この発明のうち請求項11に係るものによれば、チャネルストップ構造は、フィールドプレートとして機能する第2の導電膜を有しているため、主接合から延びてきた空乏層を抑制する効果が高まり、半導体装置の耐圧のさらなる安定化を図ることができる。
【0083】
また、この発明のうち請求項12に係るものによれば、トランジスタの構成要素とチャネルストップ構造の構成要素とが互いに等しいため、トランジスタを製造する一連の工程において、追加の工程を伴うことなくチャネルストップ構造を併せて形成することができる。そのため、トランジスタの製造工程とは別工程でチャネルストップ構造を形成する場合と比較すると、製造コストの低減を図ることができる。
【0084】
また、この発明のうち請求項13に係るものによれば、工程(b)と工程(l)とを別工程で実行する場合と比較すると、製造コストの低減を図ることができる。
【0085】
また、この発明のうち請求項14に係るものによれば、工程(c)と工程(h)とを別工程で実行する場合と比較すると、製造コストの低減を図ることができる。
【0086】
また、この発明のうち請求項15に係るものによれば、工程(d)と工程(i)とを別工程で実行する場合と比較すると、製造コストの低減を図ることができる。
【0087】
また、この発明のうち請求項16に係るものによれば、工程(e)と工程(j)とを別工程で実行する場合と比較すると、製造コストの低減を図ることができる。
【0088】
また、この発明のうち請求項17に係るものによれば、工程(f)と工程(k)とを別工程で実行する場合と比較すると、製造コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 パワーデバイスが形成されたチップの構造を模式的に示す上面図である。
【図2】 図1に示したチップのエッジ付近の構造を拡大して示す上面図である。
【図3】 図1に示したチップ内に形成されているパワーデバイスの構造を示す断面図である。
【図4】 図1に示したチップ内に形成されているガードリング構造を示す断面図である。
【図5】 図1に示したチップ内に形成されているフィールドプレート構造を示す断面図である。
【図6】 本発明の実施の形態1に係るチャネルストップ構造を示す断面図である。
【図7】 本発明の実施の形態1に係るチャネルストップ構造の形成方法を工程順に示す断面図である。
【図8】 本発明の実施の形態1に係るチャネルストップ構造の形成方法を工程順に示す断面図である。
【図9】 本発明の実施の形態1に係るチャネルストップ構造の形成方法を工程順に示す断面図である。
【図10】 本発明の実施の形態1に係るチャネルストップ構造の形成方法を工程順に示す断面図である。
【図11】 シミュレーションに用いた構造を示す断面図である。
【図12】 シミュレーションに用いた構造を示す断面図である。
【図13】 シミュレーションに用いた構造を示す断面図である。
【図14】 シミュレーションに用いた構造を示す断面図である。
【図15】 図12に示した構造に対応させて、QSS=−1E12、VCES=500Vの時のポテンシャル分布を示す図である。
【図16】 図13に示した構造に対応させて、QSS=−1E12、VCES=500Vの時のポテンシャル分布を示す図である。
【図17】 図14に示した構造に対応させて、QSS=−1E12、VCES=500Vの時のポテンシャル分布を示す図である。
【図18】 本発明の実施の形態2に係るチャネルストップ構造を示す断面図である。
【図19】 本発明の実施の形態3に係るチャネルストップ構造を示す断面図である。
【図20】 本発明の実施の形態3に係るチャネルストップ構造の形成方法を工程順に示す断面図である。
【図21】 本発明の実施の形態3に係るチャネルストップ構造の形成方法を工程順に示す断面図である。
【図22】 本発明の実施の形態3に係るチャネルストップ構造の形成方法を工程順に示す断面図である。
【図23】 本発明の実施の形態3に係るチャネルストップ構造の形成方法を工程順に示す断面図である。
【図24】 本発明の実施の形態3に係るチャネルストップ構造の形成方法を工程順に示す断面図である。
【図25】 本発明の実施の形態3に係るチャネルストップ構造の形成方法を工程順に示す断面図である。
【図26】 第1の従来のチャネルストップ構造を示す断面図である。
【図27】 第2の従来のチャネルストップ構造を示す断面図である。
【図28】 第3の従来のチャネルストップ構造を示す断面図である。
【図29】 第4の従来のチャネルストップ構造を示す断面図である。
【図30】 第5の従来のチャネルストップ構造を示す断面図である。
【符号の説明】
1 N-形シリコン基板、2,6,10,12,22,25 シリコン酸化膜、4 N+形不純物導入領域、5,21 トレンチ、7,11,23 ポリシリコン膜、8,13,26 アルミニウム電極、15,20 P形不純物導入領域、24 ソース領域。
Claims (17)
- N形の半導体基板と、
前記半導体基板の主面内に形成されて前記半導体基板との間で主接合を構成するP形の第1の不純物導入領域を有するトランジスタと、
前記半導体基板の周縁部に形成されたチャネルストップ構造と
を備える半導体装置であって、
前記チャネルストップ構造は、
前記半導体基板の前記主面内に形成された第1のトレンチと、
前記第1のトレンチが形成されている部分の前記半導体基板の前記主面内に形成されたN形の第2の不純物導入領域と
を有する半導体装置。 - 前記チャネルストップ構造は、
前記第1のトレンチの内壁上に形成された第1の絶縁膜と、
前記第1のトレンチ内を充填して形成された第1の導電膜と
をさらに有する、請求項1に記載の半導体装置。 - 前記チャネルストップ構造は、
絶縁膜を介して前記半導体基板の前記主面上に形成され、前記第1の導電膜及び前記半導体基板の前記主面に接触し、前記主接合に向かって延びる第2の導電膜
をさらに有する、請求項2に記載の半導体装置。 - 前記第1の導電膜の材質はポリシリコンである、請求項2又は3に記載の半導体装置。
- 前記チャネルストップ構造は、
絶縁膜を介して前記半導体基板の前記主面上に形成され、前記第1の導電膜及び前記半導体基板の前記主面に接触し、前記主接合に向かって延びる第2の導電膜と、
絶縁膜を介して前記第2の導電膜上に形成され、前記第1の導電膜及び前記半導体基板の前記主面に接触し、前記主接合に向かって延びる第3の導電膜と
をさらに有する、請求項2に記載の半導体装置。 - 前記トランジスタは、
前記半導体基板の前記主面内に形成され、前記トランジスタのソース又はエミッタとして機能する、N形の第3の不純物導入領域と、
前記第3の不純物導入領域が形成されている部分の前記半導体基板の前記主面内に形成された第2のトレンチと、
前記第2のトレンチの内壁上に形成され、前記トランジスタのゲート絶縁膜として機能する第2の絶縁膜と、
前記第2のトレンチ内を充填して形成され、前記トランジスタのゲート電極として機能する第4の導電膜と
をさらに有しており、
前記チャネルストップ構造は、
前記第2の不純物導入領域よりも深く前記半導体基板の前記主面内に形成された、P形の第4の不純物導入領域
をさらに有する、請求項2〜5のいずれか一つに記載の半導体装置。 - 前記第1のトレンチの開孔幅と前記第2のトレンチの開孔幅とは互いに等しい、請求項6に記載の半導体装置。
- 前記第1の導電膜の材質と前記第4の導電膜の材質とは互いに等しい、請求項6に記載の半導体装置。
- (a)トランジスタが形成される第1領域と、チャネルストップ構造が形成される第2領域とを有する、N形の半導体基板を準備する工程と、
(b)前記半導体基板との間で主接合を構成するP形の第1の不純物導入領域を、前記第1領域における前記半導体基板の主面内に形成する工程と、
(c)N形の第2の不純物導入領域を、前記第2領域における前記半導体基板の前記主 面内に形成する工程と、
(d)前記第2の不純物導入領域が形成されている部分の前記半導体基板の前記主面内に、第1のトレンチを形成する工程と
を備える、半導体装置の製造方法。 - (e)前記第1のトレンチの内壁上に第1の絶縁膜を形成する工程と、
(f)前記工程(e)よりも後に実行され、前記第1のトレンチ内を充填して第1の導電膜を形成する工程と
さらに備える、請求項9に記載の半導体装置の製造方法。 - (g)前記第1の導電膜及び前記半導体基板の前記主面に接触し、前記主接合に向かって延びる第2の導電膜を、絶縁膜を介して前記第2領域における前記半導体基板の前記主面上に形成する工程
をさらに備える、請求項10に記載の半導体装置の製造方法。 - (h)前記トランジスタのソース又はエミッタとして機能する、N形の第3の不純物導入領域を、前記第1領域における前記半導体基板の前記主面内に形成する工程と、
(i)前記第3の不純物導入領域が形成されている部分の前記半導体基板の前記主面内に、第2のトレンチを形成する工程と、
(j)前記トランジスタのゲート絶縁膜として機能する第2の絶縁膜を、前記第2のトレンチの内壁上に形成する工程と、
(k)前記工程(j)よりも後に実行され、前記第2のトレンチ内を充填し、前記トランジスタのゲート電極として機能する第4の導電膜を形成する工程と、
(l)P形の第4の不純物導入領域を、前記第2領域における前記半導体基板の前記主面内に前記第2の不純物導入領域よりも深く形成する工程と
をさらに備える、請求項10又は11に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記工程(b)と前記工程(l)とは同一の工程によって実行される、請求項12に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記工程(c)と前記工程(h)とは同一の工程によって実行される、請求項12又は13に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記工程(d)と前記工程(i)とは同一の工程によって実行される、請求項12〜14のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記工程(e)と前記工程(j)とは同一の工程によって実行される、請求項12〜15のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記工程(f)と前記工程(k)とは同一の工程によって実行される、請求項12〜16のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
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