JP3953280B2 - 絶縁ゲート型半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は絶縁ゲート型半導体装置の製造方法に係り、特にトレンチに沿ったチャネル領域の濃度分布を平坦化し、相互コンダクタンスを向上させる絶縁ゲート型半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
携帯端末の普及に伴い小型で大容量のリチュウムイオン電池が求められるようになってきた。このリチュウムイオン電池の充放電のバッテリーマネージメントを行う保護回路は携帯端末の軽量化のニーズにより、より小型で負荷ショートにも十分に耐えうるものでなくてはならない。かかる保護回路はリチュウムイオン電池の容器内に内蔵されるために小型化が求められ、チップ部品を多用したCOB(Chip on Board)技術が駆使され、小型化の要求に応えてきた。しかし一方ではリチュウムイオン電池に直列にパワーMOSFETを接続するのでこのパワーMOSFETのオン抵抗も極めて小さくするニーズがあり、これが携帯電話では通話時間や待機時間を長くするために不可欠の要素である。
【0003】
このためにチップを製造する上で微細加工によりセル密度を上げる開発が進められてきた。具体的には、チャネルが半導体基板表面に形成されるプレーナー構造ではセル密度は740万個/平方インチであったが、チャネルをトレンチの側面に形成するトレンチ構造の第1世代ではセル密度は2500万個/平方インチと大幅に向上した。さらにトレンチ構造の第2世代では、微細化によりセル密度は7200万個/平方インチまで向上できた。
【0004】
また、オン抵抗の低減だけでなく、MOSFETの性能を示す相互コンダクタンスを向上させてオン抵抗の切れをよくすることも、動作時の最高周波数を向上する上で重要である。
【0005】
図9から図13を参照して、従来のトレンチ構造のPチャネル型パワーMOSFETの製造工程を示す。
【0006】
図9では、P+型シリコン半導体基板21にP-型のエピタキシャル層を積層してドレイン領域22を形成する。予定のチャネル層24に選択的にリンを注入した後、拡散してN型のチャネル層24を形成する。
【0007】
全面にCVD法によりNSG(Non−doped Silicate Glass)のCVD酸化膜25を生成し、マスク形成後ドライエッチングして部分的に除去し、チャネル層24が露出したトレンチ開口部26を形成する。
【0008】
CVD酸化膜25をマスクとしてトレンチ開口部26のシリコン半導体基板をCF系およびHBr系ガスにより異方性ドライエッチングし、チャネル層24を貫通してドレイン領域22まで達するトレンチ27を形成する。
【0009】
図10ではダミー酸化をしてトレンチ27内壁とCVD酸化膜25表面に1000〜2000Å程度の酸化膜29を形成し、その後、酸化膜29とCVD酸化膜25をエッチングにより除去する。このダミーの際のエッチングダメージを除去し、後のゲート酸化酸化を行う理由は、ドライエッチング膜を安定に形成するためである。また、高温で熱酸化することによりトレンチ開口部26に丸みをつけ、トレンチ開口部26での電界集中を避ける効果もある。これにより、トレンチ27が形成される。
【0010】
図11では、全面を熱酸化してゲート酸化膜31を形成する。その後、トレンチ27に埋設されるゲート電極33を形成する。すなわち、全面にノンドープのポリシリコン層を付着し、P型不純物を高濃度に注入・拡散して高導電率化を図る。その後全面に付着したポリシリコン層をマスクなしでドライエッチして、トレンチ27に埋設されたゲート電極33とする。
【0011】
図12ではレジスト膜PRによるマスクにより選択的にリンをイオン注入し、N+型のボディコンタクト領域34を形成した後、レジスト膜PRを除去する。
【0012】
更に、新たなレジスト膜PRで予定のソース領域35およびゲート電極33を露出する様にマスクして、ボロンなどをイオン注入し、P+型のソース領域35をトレンチ27に隣接するチャネル層24表面に形成した後、レジスト膜PRを除去する。
【0013】
図13では、全面にNSG層を形成後、BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass)層をCVD法により付着して、層間絶縁膜36を形成する。その後、レジスト膜をマスクにして少なくともゲート電極33上に層間絶縁膜36を残す。その後アルミニウムをスパッタ装置で全面に付着して、ソース領域35およびボディコンタクト領域34にコンタクトするソース電極37を形成する。
【0014】
図13を用いて従来のトレンチ構造のパワーMOSFETの構造をPチャネル型を例に示す。
【0015】
P+型のシリコン半導体基板21の上にP-型のエピタキシャル層からなるドレイン領域22を設け、その表面にN型のチャネル層24を設ける。チャネル層24を貫通し、ドレイン領域22まで到達するトレンチ27を設け、トレンチ27の内壁をゲート酸化膜31で被膜し、トレンチ27に充填されたポリシリコンよりなるゲート電極33を設ける。トレンチ27に隣接したチャネル層24表面にはP+型のソース領域35が形成され、隣り合う2つのセルのソース領域35間のチャネル層24表面にはN+型のボディコンタクト領域34を設ける。さらにチャネル層24にはソース領域35からトレンチ27に沿って破線で示すようなチャネル領域28が形成される。ゲート電極33上は層間絶縁膜36で覆い、ソース領域35およびボディコンタクト領域34にコンタクトするソース電極37を設ける。
【0016】
図14には従来のチャネル層深さに対するチャネル層不純物濃度のプロファイルを示す。X軸がチャネル層深さであり、Y軸がチャネル層中の不純物濃度である。
【0017】
チャネル層はイオン注入後、拡散して形成するため、チャネル層表面から0.2μm程度の深さで局所的に高濃度になる(aで示す)。つまり、チャネル層表面では不純物濃度が低く、トレンチの中間部で最も高濃度となり、トレンチ底部では再び低濃度になるので、ゲート電極に印加があると、チャネル領域28は不純物濃度と対照的に図13の破線で示すように反転する。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
かかる従来のパワーMOSFETの製造方法では、チャネル層の不純物濃度がトレンチの深さ方向に対して不均一である。チャネル層の不純物濃度とオン抵抗は比例関係にあり、チャネル層の不純物濃度が高ければオン抵抗が高くなるため、トレンチの深さ方向に沿ってオン抵抗の高い部分と低い部分が発生する。つまり、オン抵抗の低いチャネル層表面とトレンチ底部がオンしても、トレンチ中間部ではオンしないため、オン抵抗のきれが悪く、相互インダクタンスが低いという問題があった。相互インダクタンスは動作時の最高周波数と比例関係にあり、この向上が重要な課題となっている。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題に鑑みてなされ、ドレイン領域となる一導電型の半導体基板表面に逆導電型のチャネル層を形成する工程と、前記チャネル層を貫通し前記半導体基板まで到達するトレンチを形成する工程と、前記トレンチの少なくとも前記チャネル層上をダミー酸化して厚い酸化膜を形成し、前記チャネル層中の逆導電型不純物を前記トレンチに沿ってパイルアップさせる工程と、前記トレンチの少なくとも前記チャネル層上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記トレンチに埋設される半導体材料からなるゲート電極を形成する工程と、前記チャネル層表面に前記トレンチに隣接した一導電型のソース領域を形成する工程とを具備することを特徴とし、Pチャネル型MOSFETのチャネル層中の不純物が高濃度の部分を、パイルアップによりトレンチ内壁のダミー酸化膜に引き寄せ、不純物濃度の差を無くすものである。つまりオン抵抗の切れが良く、相互インダクタンスの高いMOSFETの製造方法を提供できる。
【0020】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図1から図8を参照してトレンチ型パワーMOSFETのPチャネル型を例に説明する。
【0021】
トレンチ型パワーMOSFETは、ドレイン領域となる一導電型の半導体基板表面に逆導電型のチャネル層を形成する工程と、チャネル層を貫通し半導体基板まで到達するトレンチを形成する工程と、トレンチの少なくともチャネル層上をダミー酸化して厚い酸化膜を形成し、チャネル層中の逆導電型不純物をトレンチに沿ってパイルアップさせる工程と、トレンチの少なくともチャネル層上にゲート絶縁膜を形成する工程と、トレンチに埋設される半導体材料からなるゲート電極を形成する工程と、チャネル層表面に前記トレンチに隣接した一導電型のソース領域を形成する工程と、ソース電極を形成する工程とから構成される。
【0022】
本発明の第1の工程は、図1に示す如く、ドレイン領域となる一導電型の半導体基板表面に逆導電型のチャネル層を形成することにある。
【0023】
P+型シリコン半導体基板1にP-型のエピタキシャル層を積層してドレイン領域2を形成する。予定のチャネル層4に選択的にリン等を注入した後、拡散してN型のチャネル層4を形成する。この時の不純物濃度は機種及び耐圧により異なるが、例えばドーズ量1×1015〜1×1017程度とし、チャネル層4の深さは例えば0.8〜2μm程度とする。
【0024】
本発明の第2の工程は、図2に示す如く、チャネル層を貫通し半導体基板まで到達するトレンチを形成することにある。
【0025】
全面にCVD法によりNSG(Non−doped Silicate Glass)のCVD酸化膜5を生成し、ドライエッチングして部分的に除去し、チャネル層4が露出したトレンチ開口部6を形成する。
【0026】
CVD酸化膜5をマスクとしてトレンチ開口部6のシリコン半導体基板をCF系およびHBr系ガスにより異方性ドライエッチングし、チャネル層4を貫通してドレイン領域2まで達する1〜3μm程度のトレンチ7を形成する。
【0027】
本発明の第3の工程は、図3に示す如く、トレンチの少なくともチャネル層上をダミー酸化して厚い酸化膜を形成し、チャネル層中の逆導電型不純物をトレンチに沿ってパイルアップさせることにある。
【0028】
本工程は、本発明の特徴となる工程であり、1100℃で4〜7分程度ダミー酸化をしてトレンチ7内壁とCVD酸化膜5表面に150 0〜4000Å程度の厚い酸化膜9を形成する。その後、酸化膜9とCVD酸化膜5をウェットのフッ酸により除去する。
【0029】
通常ダミー酸化は、ドライエッチングの際のエッチングダメージを除去し、後のゲート酸化膜を安定に形成するために施すものである。また、高温で熱酸化することによりトレンチ開口部6に丸みをつけ、トレンチ開口部6での電界集中を避ける効果もある。
【0030】
本発明では、さらに、従来よりも厚い酸化膜9を生成することによりチャネル層4中の不純物をパイルアップによりトレンチ7内壁の酸化膜9側に引き寄せることを目的としている。Pチャネル型のMOSFETのチャネル層4を形成するN型不純物は、パイルアップにより、シリコン基板(チャネル層4)と酸化膜9界面のごく薄い層に集積する。その結果、高濃度であるチャネル層4表面から0.2μm程度の深さ付近のN型不純物が酸化膜9側に引かれ、その部分の不純物濃度は低減することになる。
【0031】
その後、酸化膜9およびCVD酸化膜5を除去することにより、不純物が集積した薄い層も同時に除去され、チャネル層4の0.2〜2μmの範囲の深さにおいて不純物濃度が再分布する。つまり、トレンチ7の深さ方向に沿って不純物濃度が均一となる。
【0032】
本発明の第4の工程は、図4に示す如く、トレンチの少なくともチャネル層上にゲート絶縁膜を形成することにある。
【0033】
全面を熱酸化してトレンチ7内壁の少なくともチャネル層上に厚さ数百Åのゲート酸化膜11を形成する。
【0034】
本発明の第5の工程は、図5に示す如く、トレンチに埋設される半導体材料からなるゲート電極を形成することにある。
【0035】
全面にノンドープのポリシリコン層を付着し、ボロン等のP+型不純物を高濃度に注入・拡散して高導電率化を図る。その後全面に付着したポリシリコン層をマスクなしでドライエッチして、トレンチ7に埋設されたゲート電極13とする。
【0036】
本発明の第6の工程は、図6に示す如く、チャネル層表面に前記トレンチに隣接した一導電型のソース領域を形成することにある。
【0037】
レジスト膜PRによるマスクにより選択的にリンをイオン注入し、N+型のボディコンタクト領域14を形成した後、レジスト膜PRを除去する。
【0038】
更に、新たなレジスト膜PRで予定のソース領域15およびゲート電極13を露出する様にマスクして、ボロンなどをイオン注入し、P+型のソース領域15をトレンチ7に隣接するチャネル層4表面に形成した後、レジスト膜PRを除去する。
【0039】
本発明の第7の工程は、図7に示す如く、ソース電極を形成することにある。
【0040】
全面にNSG層を形成後、BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass)層をCVD法により付着して、層間絶縁膜16を形成する。その後、レジスト膜をマスクにして少なくともゲート電極13上に層間絶縁膜16を残す。その後アルミニウムをスパッタ装置で全面に付着して、ソース領域15およびボディコンタクト領域14にコンタクトするソース電極17を形成する。
【0041】
また、図7に示す断面図を用いて、本発明のパワーMOSFETの構造を説明する。
【0042】
トレンチ型パワーMOSFETは、半導体基板と、チャネル層と、トレンチと、ゲート酸化膜と、ゲート電極と、ソース領域と、層間絶縁膜と、ソース電極とから構成される。
【0043】
半導体基板は、P+型のシリコン半導体基板1の上にP-型のエピタキシャル層を積層してドレイン領域2とする。
【0044】
チャネル層4は、ドレイン領域2の表面に選択的にN型のリンなどを拡散してトレンチ7の深さよりも浅く形成する。このチャネル層4のトレンチ7に隣接した領域に、チャネル領域8が形成される。チャネル層4の不純物濃度がトレンチ深さ方向に沿って均一であるので、ゲート電極に印加があると、トレンチに接するチャネル層が均一に反転し、図7の破線で示すようにチャネル領域8も均一に形成される。
【0045】
トレンチ7は、半導体基板を異方性ドライエッチングして形成し、チャネル層4を貫通してドレイン領域2まで到達させる。一般的には半導体基板上に格子状またはストライプ状にトレンチ7を形成する。トレンチ7内壁にはゲート酸化膜11を設け、ゲート電極13を形成するためにポリシリコンを埋設する。
【0046】
ゲート酸化膜11は、少なくともチャネル層4と接するトレンチ7内壁に数百Åの厚みに形成する。ゲート酸化膜11は絶縁膜であるので、トレンチ7内に設けられらたゲート電極13と半導体基板に挟まれてMOS構造となっている。
【0047】
ゲート電極13は、トレンチ7に埋設されたポリシリコンよりなり、該ポリシリコンには、低抵抗化を図るためにP型不純物が導入されている。このゲート電極13は、半導体基板の周囲を取り巻くゲート連結電極(図示せず)まで延在され、半導体基板上に設けられたゲートパッド電極(図示せず)に連結される。
【0048】
ソース領域15は、トレンチ7に隣接したチャネル層4表面にP+型不純物を拡散して形成され、ソース電極17とコンタクトする。
【0049】
ボディコンタクト領域14は、基板の電位安定化のため、隣り合う第2ソース領域15の間のチャネル層4表面にN+型不純物を拡散して形成する。
【0050】
層間絶縁膜16は、少なくともゲート電極13を覆って形成されトレンチ開口部6にその一部を残している。
【0051】
ソース電極17は、全面にアルミニウムをスパッタして所望の形状にエッチングして形成する。
【0052】
図8に、本発明のチャネル層深さに対するチャネル層不純物濃度のプロファイルを示す。X軸がチャネル層深さであり、Y軸がチャネル層中の不純物濃度である。
【0053】
図中実線が本発明の実施の形態のプロファイルであり、破線が従来のプロファイルである。チャネル層中の不純物は、パイルアップによりトレンチ内壁のダミー酸化膜に引かれ、その後ダミー酸化膜と同時にその一部が除去される。これにより、実線で示すように、チャネル層表面付近からチャネル層のほぼ全体にかけて、具体的には深さ0.2〜2μmの範囲で不純物濃度が再分布され、局所的に高濃度であった部分が平坦化するので、トレンチ深さ方向に沿って均一な濃度となる。つまり、ゲート電極に印加があった場合、どの部分でも均一に反転し、オン抵抗のきれが良くなる。
【0054】
なお、ダミー酸化膜の厚みは濃度分布を平坦化するために最適化した値であり、ここに示す限りではない。
【0055】
【発明の効果】
本発明によれば、ダミー酸化で厚い酸化膜を形成し、パイルアップさせることにより、トレンチに沿ったチャネル層不純物濃度分布を平坦化できる。
【0056】
パイルアップでチャネル層中の不純物がトレンチおよびシリコンの界面に集積するため、チャネル層表面付近からチャネル層のほぼ全体にかけて、具体的には深さ0.2〜2μmの範囲で不純物濃度が再分布され、トレンチ中間付近で高濃度であった部分が平坦化する。
【0057】
濃度分布が平坦であれば、ゲート電極に印加があった場合、トレンチのどの部分でも均一にチャネル層が反転することになる。
【0058】
つまりオン抵抗がトレンチの深さ方向に沿って均一となるので、オン抵抗の切れが良く、相互インダクタンスが向上することになる。相互インダクタンスは動作時のMOSFETの最高周波数と比例するため、高周波特性の高いMOSFETの製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の絶縁ゲート型半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【図2】本発明の絶縁ゲート型半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【図3】本発明の絶縁ゲート型半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【図4】本発明の絶縁ゲート型半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【図5】本発明の絶縁ゲート型半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【図6】本発明の絶縁ゲート型半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【図7】本発明の絶縁ゲート型半導体装置およびその製造方法を説明する断面図である。
【図8】本発明の絶縁ゲート型半導体装置の製造方法を説明する概念図である。
【図9】従来の絶縁ゲート型半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【図10】従来の絶縁ゲート型半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【図11】従来の絶縁ゲート型半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【図12】従来の絶縁ゲート型半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【図13】従来の絶縁ゲート型半導体装置およびその製造方法を説明する断面図である。
【図14】従来の絶縁ゲート型半導体装置の製造方法を説明する概念図である。
Claims (4)
- ドレイン領域となる一導電型の半導体基板表面に逆導電型不純物のイオン注入により逆導電型のチャネル層を形成する工程と、
前記チャネル層を貫通し前記半導体基板まで到達するトレンチを形成する工程と、
前記トレンチの少なくとも前記チャネル層上をダミー酸化して膜厚が2000Åより厚く4000Å以下の厚い酸化膜を形成し、前記チャネル層中の逆導電型不純物を前記トレンチに沿ってパイルアップさせ、局所的に高濃度の前記チャネル層の逆導電型不純物の濃度を低減し、該チャネル層の逆導電型不純物の濃度分布を前記トレンチの深さ方向に平坦にする工程と、
前記トレンチの少なくとも前記チャネル層上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記トレンチに埋設される半導体材料からなるゲート電極を形成する工程と、
前記チャネル層表面に前記トレンチに隣接した一導電型のソース領域を形成する工程とを具備することを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置の製造方法。 - 前記チャネル層に形成されるチャネル領域は前記トレンチの深さ方向に沿って均一に形成されることを特徴とする請求項1に記載の絶縁ゲート型半導体装置の製造方法。
- 前記トレンチはその開口部が丸みを有することを特徴とする請求項1に記載の絶縁ゲート型半導体装置の製造方法。
- 前記半導体装置はPチャネル型MOSFETであることを特徴とする請求項1に記載の絶縁ゲート型半導体装置の製造方法。
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