JP4086558B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置およびその製造方法に係り、特にゲート抵抗を低減する半導体装置およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
チップサイズの大きいDC−DCコンバータ用途などの半導体装置においては、スイッチングタイムを向上するためにゲート抵抗Rgおよびゲート−ドレイン間容量の低減が望まれる。
【0003】
図11および図12を用いてトレンチ型MOSFETを例に従来の半導体装置を説明する。
【0004】
図11(A)は、MOSFETの実動作領域を示す平面図であり、全面を覆うソース電極は省いている。また、図11(B)は図11(A)の丸印部分の拡大斜視図である。更に図11(C)は図11(A)のD−D線断面図である。
【0005】
図の如く既知のフォトリソグラフィ工程や拡散工程などにより半導体基板上にトレンチ構造のMOSFETのセルを配置した実動作領域20が形成される。トレンチ27はストライプ状に配置され、ゲート電極33が埋設される。
【0006】
ゲート引き出し電極41は、実動作領域20外周に配置される。トレンチ27に埋設されるゲート電極33を構成するポリシリコンを、実動作領域20外周で基板上に引き出し、実動作領域20を囲んだ形状にパターニングする。
【0007】
トレンチ型MOSFETは、N+型のシリコン半導体基板21の上にN−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P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N+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表面および実動作領域20外周にはP+型のボディコンタクト領域34を設ける。さらにゲート電極33に電圧を印加するとソース領域35からトレンチ27に沿ってチャネル領域(不図示)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。
【0008】
ゲート電極33から引き出されたゲート引き出し電極41の上にはゲート引き出し電極41とほぼ重畳し、実動作領域20外のゲートパッド電極(不図示)に接続するAl等よりなるゲート連結電極23を設ける。また、ゲート引き出し電極41下の基板表面には、耐圧を確保するためにガードリング25が設けられる。ゲートパッド電極にゲート電圧を印加することで、ゲート連結電極23およびゲート引き出し電極41を介してトレンチ27内のゲート電極33に電圧が印加され、MOSFETが動作する。
【0009】
図12から図15を参照して、従来のトレンチ構造のNチャネル型パワーMOSFETの製造工程を示す。
【0010】
図12では、N+型シリコン半導体基板21にN−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に選択的にボロンを注入した後、拡散してP型のチャネル層24を形成する。
【0011】
全面にCVD法によりNSG(Non−doped Silicate Glass)のCVD酸化膜(不図示)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を形成する。
【0012】
CVD酸化膜をマスクとしてトレンチ開口部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。更に、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、ダミー酸化をする。また、高温で熱酸化することによりトレンチ開口部に丸みをつけ、トレンチ開口部での電界集中を避ける効果もある。
【0013】
図13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を形成し、同時に実動作領域外周を囲むゲート引き出し電極を形成する。すなわち、全面にノンドープのポリシリコン層を付着し、リンを高濃度に注入・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所望の形状のマスク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およびゲート電極33を実動作領域外周に引き出したゲート引き出し電極41を形成する。
【0014】
図14ではレジスト膜PRによるマスクにより選択的にボロンをイオン注入し、P+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。
【0015】
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、砒素をイオン注入し、N+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。
【0016】
図15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を形成し、ゲート引き出し電極41にほぼ重畳するゲート連結電極23を形成する。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
従来構造に於いて、特にチップサイズの大きいDC−DCコンバータ用途などのMOSFETでは、トレンチおよびゲート電極33がストライプ状に設けられている。この構造は、トレンチを格子状に設けた構造と比較して単位セル面積あたりのゲート酸化膜31の面積が低減できるため、ゲート−ドレイン間の寄生容量を低減できる。つまりチップサイズが大きくてもスイッチング時に電荷をためず、スイッチングスピードが向上できるので、一般的にチップサイズが大きいスイッチング素子に対して採用されるものである。
【0018】
この従来構造において、ゲート電圧は、実動作領域20外周のゲート連結電極23とその下層にコンタクトするゲート引き出し電極41を介して、トレンチ27内のゲート電極33に印加されていた。
【0019】
しかし、上記の如くチップサイズが大きくストライプ状のゲート電極33においては、ゲート引き出し電極41からの距離が遠くなる実動作領域20中央部では、ゲート引き出し電極41からの距離が近い実動作領域20周辺部と比較してゲート抵抗Rgが大きくなってしまう問題がある。
【0020】
実動作領域中央部のゲート抵抗Rgが大きくなることで結果的にチップ全体のゲート抵抗Rgは大きくなってしまう。スイッチングスピード(ターンオン時)は、ゲート抵抗Rgとゲート−ドレイン間容量の積に比例するため、ゲート電極33をストライプ状にすることでゲートドレイン間容量を低減しても、実動作領域の中央付近でゲート抵抗Rgが大きくなってしまうために、ターンオン時間の短縮には限界があった。
【0021】
【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、第1に、半導体基板にストライプ状に設けられ、トレンチ構造のゲート電極を有するトランジスタのセルが配置された実動作領域と、実動作領域外周に設けられゲート電極に電圧を印加する第1のゲート引き出し電極と、第1のゲート引き出し電極とコンタクトし、実動作領域上で少なくともゲート電極およびゲート電極と隣接する基板表面を覆って設けられた第2のゲート引き出し電極とを具備することにより解決するものである。
【0022】
第2に、半導体基板に設けられた一導電型のドレイン領域と、半導体基板に設けた逆導電型のチャネル層と、基板表面において複数のストライプ状に設けられ、チャネル層を貫通しドレイン領域まで到達するトレンチと、トレンチ表面に設けたゲート絶縁膜と、トレンチに埋め込まれた半導体材料からなるゲート電極と、チャネル層表面のトレンチに隣接して設けた一導電型のソース領域と、隣接するトレンチ間のチャネル層表面に設けられた凹部と、凹部表面に設けられた逆導電型のボディコンタクト領域とを有する実動作領域と、実動作領域外周に設けられゲート電極に電圧を印加する第1のゲート引き出し電極と、第1のゲート引き出し電極とコンタクトし、実動作領域上で少なくともゲート電極およびゲート電極と隣接する基板表面を覆って設けられた第2のゲート引き出し電極と、第2のゲート引き出し電極の側壁に設けられたサイドウォールとを具備することにより解決するものである。
【0023】
また、第2のゲート引き出し電極は実動作領域上に格子状に配置されることを特徴とするものである。
【0024】
また、第2のゲート引き出し電極はゲート電極と同一の半導体材料からなることを特徴とするものである。
【0025】
また、第2のゲート引き出し電極上には絶縁膜を介して実動作領域の一部とコンタクトするソース電極が設けられることを特徴とするものである。
【0026】
また、第1のゲート引き出し電極は全周にわたって金属層とコンタクトし、金属層にゲート電圧が印加されることを特徴とするものである。
【0027】
第3に、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し、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し、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ゲート電極を形成し、同時に予定の実動作領域外周を囲む第1のゲート引き出し電極を形成し、少なくともゲート電極およびゲート電極と隣接する基板表面を覆って第2のゲート引き出し電極を形成する工程と、隣接するトレンチの間のチャネル層表面に一導電型不純物拡散領域を形成する工程と、第2のゲート引き出し電極上に絶縁膜を形成し、第2のゲート電極側壁に絶縁膜からなるサイドウォールを形成する工程と、サイドウォールをマスクとしてチャネル層表面をエッチングして凹部を形成し、トレンチに隣接するソース領域を形成する工程と、凹部に露出したチャネル層表面に逆導電型のボディコンタクト領域を形成し、実動作領域を形成する工程と、全面にソース電極を形成する工程とを具備することにより解決するものである。
【0028】
また、凹部は、一導電型不純物拡散領域より深くチャネル層より浅く形成されることを特徴とするものである。
【0029】
また、第2のゲート引き出し電極は実動作領域上で格子状に形成され、第1のゲート引き出し電極およびゲート電極とコンタクトすることを特徴とするものである。
【0030】
また、第1のゲート引き出し電極および第2のゲート引き出し電極はゲート電極と同一の半導体材料にて形成されることを特徴とするものである。
【0031】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図1から図10を参照し、Nチャネルのトレンチ型MOSFETを例に詳細に説明する。
【0032】
図1には本発明の半導体装置を示す。図1(A)は平面図であり、図1(B)は図1(A)の丸印部分の拡大斜視図である。図の如く、本発明の半導体装置は、実動作領域20と、第1のゲート引き出し電極21と、第2のゲート引き出し電極22とから構成される。ここで、全面を覆うソース電極およびゲート連結電極、実動作領域外に設けられるゲートパッド電極は図示を省略する。
【0033】
実動作領域20は、半導体基板1にストライプ状に設けられたトレンチ7構造のゲート電極13を有するMOSFETのセルが配置される。
【0034】
第1のゲート引き出し電極21は、実動作領域20外周に設けられる。トレンチ7に埋設されるゲート電極13を構成するポリシリコンを、実動作領域20外周で基板上に引き出し、実動作領域20を囲んでパターニングしたものである。第1ゲート引き出し電極21上には、実動作領域20全面に設けられるソース電極と同一工程により設けられた金属層がほぼ重畳して配置される。この金属層はソース電極とは絶縁されたゲート連結電極であり、第1ゲート引き出し電極21とコンタクトし、実動作領域20外に設けられる不図示のゲートパッド電極に接続している。このゲートパッド電極にゲート電圧を印加することで、ゲート連結電極、第1ゲート引き出し電極21、第2ゲート引き出し電極22を介してゲート電極13に印加され、MOSFETが動作する。
【0035】
図1(B)の如く第2のゲート引き出し電極22は、実動作領域20上に格子状に設けられる。尚、この図は、ゲート電極13と第2のゲート引き出し電極22部分の詳細であり、他の構成要素は後述するため省略する。図の如く格子の縦または横の一方は、ゲート電極13と重畳し、更にゲート電極13と隣接する基板表面までを覆って設ける。また格子の他方はそれらと直交して複数設けられ、互いに連結し、第2のゲート引き出し電極22は実動作領域20外周で第1のゲート引き出し電極21とコンタクトする。第1のゲート引き出し電極21と同様に、トレンチ7に埋設されるゲート電極13を構成するポリシリコンを、実動作領域20上で格子状にパターニングしたものである。従ってゲート電極13と、第1および第2のゲート引き出し電極21、22は同一材料から成る。
【0036】
図2には、図1の実動作領域であるMOSFETの断面図を示す。図2(A)がA−A線断面図であり、図2(B)が図1のB−B線断面図、図2(C)が図1のC−C線断面図である。
【0037】
パワーMOSFETは、N+型半導体基板1と、ドレイン領域2と、チャネル層4と、トレンチ7と、ゲート酸化膜11と、ゲート電極13と、サイドウォール14と、凹部15と、ソース領域17と、ボディコンタクト領域18と、層間絶縁膜16と、第1ゲート引き出し電極21と、第2ゲート引き出し電極22と、ソース電極17とから構成される。
【0038】
半導体基板は、N+型のシリコン半導体基板1の上にドレイン領域2となるN−型のエピタキシャル層を積層したものである。
【0039】
チャネル層4は、ドレイン領域2の表面に選択的にP型のボロン等を注入した拡散領域であり、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(図示せず)が形成される。
【0040】
トレンチ7は、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。半導体基板上にストライプ状にパターニングされ、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。
【0041】
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、駆動電圧に応じて数百Åの厚みに設ける。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。
【0042】
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、そのポリシリコンには、低抵抗化を図るためにN型不純物が導入されている。このゲート電極13は、同一工程で形成される第2ゲート引き出し電極22および第1ゲート引き出し電極21を介して半導体基板の周囲を取り巻くゲート連結電極23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。
【0043】
凹部15は、トレンチ7間のチャネル層4表面で、ソース領域17より深く、チャネル領域4より浅く設けられる。側壁にソース領域17が露出し、底面にボディコンタクト領域18が露出する。
【0044】
サイドウォール14は絶縁膜からなり、これにより第2のゲート取出し電極22側壁が被覆される。
【0045】
ソース領域17は、トレンチ7に隣接して設けられるN+型不純物を注入した拡散領域である。隣接するトレンチ7間のチャネル層4表面に設けられた凹部15側壁に露出してソース電極19とコンタクトする。
【0046】
ボディコンタクト領域18は、上述の凹部15の底部に設けられたP+型不純物の拡散領域であり、基板の電位を安定化させる。これにより隣接するトレンチ7で囲まれた部分が1つのセルとなり、このセルが複数集まって実動作領域20となっている。
【0047】
第2ゲート引き出し電極22は、各ゲート電極13と重畳し更にゲート電極13と隣接する基板表面までを覆って設けられる。また、各トレンチ7に直交して設けられた第2のゲート引き出し電極22と共に格子状のパターンを形成し、ゲート電極とも第1ゲート引き出し電極21ともコンタクトする。
【0048】
ゲート電極13から引き出された第1ゲート引き出し電極21の上にはゲート引き出し電極21とほぼ重畳し、実動作領域20外のゲートパッド電極(不図示)に接続するAl等よりなるゲート連結電極23を設ける。第1ゲート引き出し電極21下の基板表面には、耐圧を確保するためにガードリング25が設けられる。
【0049】
層間絶縁膜16は、ソース電極19とゲート電極13との絶縁のためにゲート電極13を覆って設けられる。本実施形態では第2のゲート引き出し電極22上に設けた絶縁膜を層間絶縁膜16として説明するが、実際は第2ゲート引き出し電極側壁の絶縁膜から成るサイドウォール14も層間絶縁膜として利用される。
【0050】
ソース電極19は、アルミニウム等をスパッタして所望の形状にパターニングした金属電極である。第2のゲート引き出し電極22上の層間絶縁膜16を介し、実動作領域上全面を覆って設けられ、第2のゲート引き出し電極22が設けられない部分でソース領域17およびボディコンタクト領域18とコンタクトする。ドレイン電極(不図示)は基板裏面に設けられる。
【0051】
本発明の特徴は、ゲート電極13および第1ゲート引き出し電極21とコンタクトする第2のゲート引き出し電極22を実動作領域20上に格子状に設けることにある。これにより、ゲート電圧印加時にはトレンチ7に埋設されたゲート電極13に加え、ゲート電極13上の第2ゲート引き出し電極22をゲート電極13の一部として利用することができる。
【0052】
すなわち、図1(B)に示す斜線部の如く、ゲート電極13として利用できる断面積が増加する。ゲート電極13の全てにおいて断面積が増加するので、従来構造と比較してチップ全体のゲート抵抗Rgが大幅に低減できる。ターンオンに要する時間(td(on))はゲート電極寄生抵抗が小さいと仮定すれば、ゲート抵抗Rgに比例するので、チップ全体としてゲート抵抗Rgが低減されれば、ターンオンに要する時間(td(on))が低減できる。つまり、従来は実動作領域中央部のゲート抵抗Rgが大きくなることでチップ全体のスイッチングタイムの短縮が困難であったが、本発明によれば、ゲート−ドレイン間容量を抑えるストライプ状のゲート電極構造で、チップサイズの大きい素子であっても、ターンオンに要する時間が短縮でき、動作速度の向上に大きく寄与できる。
【0053】
ここで、ゲート電極13の断面積を増加させるのであれば、ゲート電極13と重畳して第2のゲート引き出し電極22を設けるだけでよい。しかし、第1ゲート引き出し電極21と第2のゲート引き出し電極とのコンタクト部がチップの2辺しかとれないため、隣接するゲート電極13間に電位差が生じてしまう。そこで、本実施形態では、トレンチに対して直交方向に対しても第2のゲート引き出し電極22を設けて格子状に連結し、実動作領域20上に配置することとした。
【0054】
このように、本発明によれば、第2のゲート引き出し電極22をゲート電極13上に設けることでゲート電極の断面積を大幅に向上しゲート抵抗Rgを低減できるので、動作速度の向上に大きく寄与できる。また、第1ゲート引き出し電極21は、第2ゲート引き出し電極22とチップ4辺でコンタクトできるので、隣接するトレンチ間の電位差を実質なくすことができる。
【0055】
ゲート引き出し電極21は従来から実動作領域周囲に必ず設けられていたものである。本実施形態によれば、ゲート引き出し電極21形成のマスクパターンを変更するだけでよい。すなわち、コストを増大させずに、動作速度の向上を実現することができる。
【0056】
また、後に詳述するが、本実施形態においてはサイドウォール14と凹部15を利用することでソース領域、ボディコンタクト領域、ソース電極とのコンタクト形成においてセルフアラインで形成できる。すなわち、マスクの合わせずれを考慮する必要が無く、セルの集積度を向上できる。具体的には、ゲート電極13とソース電極19との離間距離が安定して形成できるため、セルピッチで0.35μm程度縮小でき、オン抵抗が低減する利点を有する。
【0057】
次に、図3から図10を参照して、本発明の製造方法をNチャネル型パワーMOSFETを例に示す。
【0058】
本発明の半導体装置の製造方法は、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し、該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し、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、トレンチに埋設されるゲート電極を形成し、同時に予定の実動作領域外周を囲む第1のゲート引き出し電極を形成し、少なくともゲート電極およびゲート電極と隣接する基板表面を覆って第2のゲート引き出し電極を形成する工程と、隣接するトレンチの間のチャネル層表面に一導電型不純物拡散領域を形成する工程と、第2のゲート引き出し電極上に絶縁膜を形成し、第2のゲート電極側壁に絶縁膜からなるサイドウォールを形成する工程と、サイドウォールをマスクとしてチャネル層表面をエッチングして凹部を形成し、トレンチに隣接するソース領域を形成する工程と、凹部に露出したチャネル層表面に逆導電型のボディコンタクト領域を形成し、実動作領域を形成する工程と、全面にソース電極を形成する工程とから構成される。
【0059】
本発明の第1の工程は、図3に示す如く、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し、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し、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ことにある。
【0060】
まず、N+型シリコン半導体基板1にN−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に選択的にボロンを注入した後、拡散してP型のチャネル層4を形成する。
【0061】
全面にCVD法によりNSG(Non−doped Silicate Glass)のCVD酸化膜(不図示)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4が露出したトレンチ開口部を形成する。その後、CVD酸化膜をマスクとしてトレンチ開口部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まで達するトレンチ7を形成する。
【0062】
更に、ダミー酸化をしてトレンチ7内壁とCVD酸化膜表面に酸化膜(図示せず)を形成し、その後、酸化膜とCVD酸化膜をエッチングにより除去する。このダミー酸化を行う理由は、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である。また、高温で熱酸化することによりトレンチ7開口部に丸みをつけ、トレンチ7開口部での電界集中を避ける効果もある。これにより、トレンチ7が形成され、その後、全面を熱酸化してゲート酸化膜11を形成する。また、トレンチ7形成後にダミー酸化およびゲート酸化膜11形成の熱酸化を行うことで、トレンチ周囲のP型不純物の拡散が十分に行われるので、トレンチ7に沿ったチャネル領域となる部分の不純物濃度がより均一になる利点もある。
【0063】
なお、所定の特性が得られるのであれば、ドレイン領域2となるN−型エピタキシャル層にトレンチ7を形成後、P型不純物を拡散してチャネル層4を形成しても良い。
【0064】
本発明の第2の工程は、図4から図6に示す如く、トレンチ7に埋設されるゲート電極13を形成し、同時に予定の実動作領域外周を囲む第1のゲート引き出し電極21を形成し、少なくともゲート電極13およびゲート電極13と隣接する基板表面を覆って第2のゲート引き出し電極22を形成することにある。
【0065】
本工程は、本発明の特徴となる工程であり、予定の実動作領域上に格子状の第2のゲート引き出し電極22を形成するものである。すなわち図4の如く全面にノンドープのポリシリコン層8を堆積し、リンを高濃度に注入・拡散して高導電率化を図る。その後、第1および第2のゲート引き出し電極をパターニングするためマスクとなるNSG膜を堆積する。図2(B)に示す如く、第1のゲート引き出し電極21はゲート電極13を実動作領域外に引き出して、実動作領域外周を覆う形状とする。また、第2のゲート引き出し電極22は、ゲート電極13上と、ゲート電極13に隣接する基板周囲を覆って設けられ、更にそれらと直交する方向にも複数本設ける。実動作領域上で格子状に設けられ、第1のゲート引き出し電極21およびゲート電極13とコンタクトする。つまり、図5の如くこれらの形状を残すようにNSG膜9をパターニングし、フォトリソグラフィ工程によりマスクを形成する。
【0066】
その後、図6の如くNSG膜9に合わせてポリシリコン層8をエッチングし、トレンチ7に埋設されたゲート電極13および実動作領域外周を囲む第1ゲート引き出し電極(図6では不図示)、実動作領域上で格子状となる第2ゲート引き出し電極22が形成される。上記の如く、ゲート電極13、第1および第2ゲート引き出し電極21、22は同一材料にて形成される。
【0067】
これにより、ゲート電圧印加時にはトレンチ7に埋設されたゲート電極13に加え、ゲート電極13上の第2ゲート引き出し電極22をゲート電極13の一部として利用することができるので、ゲート電極13の断面積が増加することになる。
【0068】
このように各ゲート電極13の断面積が増加するので、ゲート抵抗Rgが低減でき、従来構造と比較してチップ全体のゲート抵抗Rgが大幅に低減できる。ターンオンに要する時間(td(on))はゲート電極寄生抵抗が小さいと仮定すれば、ゲート抵抗Rgに比例するので、チップ全体としてゲート抵抗Rgが低減されれば、ターンオンに要する時間(td(on))が低減できる。つまり、従来は実動作領域中央部のゲート抵抗Rgが大きくなることでチップ全体のスイッチングタイムの短縮が困難であったが、本発明によれば、ゲート−ドレイン間容量を抑えるストライプ状のゲート電極構造で、チップサイズの大きい素子であっても、ターンオンに要する時間が短縮でき、動作速度の向上に大きく寄与できる。
【0069】
また、ゲート電極13に対して直交する方向にも第2ゲート引き出し電極22を設けて互いに連結し、実動作領域上で格子状にパターニングすることで第2ゲート引き出し電極22間の電位差を実質なくすこともできる。
【0070】
第1のゲート引き出し電極21は従来から実動作領域周囲に必ず設けられていたものである。本実施形態によれば、第1のゲート引き出し電極21形成のマスクパターンを変更するだけで実施できるので、コストを増大させずに動作速度の向上を実現できるものである。
【0071】
更に、ゲート電極13上は全て第2のゲート引き出し電極で覆われており、基板表面付近のポリシリコン層の落ち込み(リセス)が無くなる。これにより、基板表面からゲート電極13として利用できるので、チャネル層を浅くでき、TATの短縮やIDSSの歩留まりを向上できる。従来のゲート電極は実動作領域上で全面エッチングされるので、図11(B)または図15に示す如くポリシリコン層の落ち込み(リセス50)が生じ、ゲート電極が基板表面から落ち込むことになっていた。このため、ソース領域やチャネル層もこの落ち込み分を考慮して深く形成しなければ成らず、TATの増加やIDSSの歩留まりが低下する問題があった。しかし本発明によれば、ゲート電極上に第2ゲート引き出し電極を設けることで、このリセスの発生が無くなり、チャネル層を浅く形成することができる。
【0072】
本発明の第3の工程は、図7に示す如く、隣接するトレンチの間のチャネル層表面に一導電型不純物拡散領域を形成することにある。
【0073】
本工程から第6の工程までも本発明の特徴となる工程である。まず全面にN+型不純物をイオン注入して拡散し、隣接するトレンチ7間のチャネル層4表面にN+型不純物拡散領域10を形成する。この領域は後の工程においてソース領域となるものである。
【0074】
本発明の第4の工程は、図8に示す如く、第2のゲート引き出し電極上に絶縁膜を形成し、第2のゲート電極側壁に絶縁膜からなるサイドウォールを形成することにある。
【0075】
全面にNSG膜12を更に堆積し(図8(A))、その後NSG膜12をマスクなしで全面ドライエッチングする。これにより、第2のゲート引き出し電極上には、マスクとして形成したNSG膜9が残るので、これを層間絶縁膜16として利用する。更に層間絶縁膜16と第2のゲート引き出し電極22の側壁には本工程で堆積したNSG膜12によるサイドウォール14が形成され、第2ゲート引き出し電極22は、絶縁膜により覆われる。更に、隣接するトレンチ間には、N+型不純物拡散領域10が露出する(図8(B))。
【0076】
本発明の第5の工程は、図9に示す如くサイドウォールをマスクとしてチャネル層表面をエッチングして凹部を形成し、トレンチに隣接するソース領域を形成することにある。
【0077】
サイドウォール14をマスクとして、露出したチャネル層4表面をN+型不純物拡散領域10よりも深く、チャネル層4よりも浅くエッチングする。これにより、隣接するトレンチ7間のチャネル層4には凹部15が形成され、N+型不純物拡散領域10は凹部15によって分断されてトレンチ7に隣接したソース領域17が形成される。
【0078】
本発明の第6の工程は、図10に示す如く、凹部に露出したチャネル層表面に逆導電型のボディコンタクト領域を形成し、実動作領域を形成することにある。
【0079】
トレンチ7間の凹部15に露出したチャネル層4表面にP+型不純物を導入・拡散して基板の電位安定化のためのボディコンタクト領域18を形成する。これにより多数のセルから成る実動作領域20が形成される。図からも明らかなように、本工程において、凹部15側壁にはソース領域17が露出し、凹部底面にボディコンタクト領域18が露出した構造となる。さらにゲート電極13(第2のゲート引き出し電極22)周囲はサイドウォール14および層間絶縁膜16が設けられ絶縁材料で覆われる。
【0080】
このように、前記第3の工程から本工程においてはソース領域17、ボディコンタクト領域18、ソース電極19とのコンタクト形成がマスクなしで行える。従来では、ソース領域形成、ボディコンタクト領域形成、層間絶縁膜及びソース電極とのコンタクト領域形成工程にはそれぞれマスクが必要であったが、本発明によれば3枚のマスクが削減できる。
【0081】
本発明の第7の工程は、全面にソース電極を形成することにある。全面にAl等のスパッタにより金属を蒸着しボディコンタクト領域18、ソース領域17とコンタクトするソース電極19を形成し、図2に示す最終構造を得る。また、このとき同時に第1のゲート引き出し電極とほぼ重畳してゲート連結電極23も形成され、ゲートパッド電極まで延在される。
【0082】
【発明の効果】
本発明の特徴は、第2のゲート引き出し電極を実動作領域上にゲート電極と直交して設けることにある。これにより、第1に、ゲート電圧印加時にはトレンチに埋設されたゲート電極に加え、ゲート電極上の第2ゲート引き出し電極をゲート電極として利用することができる。
【0083】
すなわち、ゲート電極13の断面積が増加することになるので、ゲート抵抗Rgが低減でき、従来構造と比較してチップ全体のゲート抵抗Rgが大幅に低減できる。ターンオンに要する時間(td(on))はゲート電極寄生抵抗が小さいと仮定すれば、ゲート抵抗Rgに比例するので、ターンオンに要する時間(td(on))が低減できる。
【0084】
つまり、本発明によれば、ゲート−ドレイン間容量を抑えるストライプ状のゲート電極構造で、チップサイズの大きい素子であっても、ターンオンに要する時間が短縮でき、動作速度の向上に大きく寄与できる。
【0085】
第2に、第2ゲート引き出し電極は、格子状に設けることで第1ゲート引き出し電極とチップ4辺でコンタクトできるので、隣接するトレンチ間の電位差を実質なくすことができる。
【0086】
第3に、ソース領域、ボディコンタクト領域、ソース電極とのコンタクト形成においてセルフアラインで形成できるため、マスクの合わせずれを考慮する必要が無く、セルの集積度を向上できる。具体的には、ゲート電極とソース電極との離間距離が安定して形成できるためセルピッチで0.35μm程度縮小でき、オン抵抗が低減する利点を有する。
【0087】
また、本発明の製造方法によれば、マスクパターンの変更のみで、動作速度の向上を実現することができる。ゲート引き出し電極は従来から実動作領域周囲に必ず設けられていたものである。本実施形態によれば、ゲート引き出し電極形成のマスクパターンを変更するだけで実施できるので、コストを増大させずに、動作速度の向上を実現できる。
【0088】
更に、ゲート電極上は全て第2のゲート引き出し電極で覆われており、ポリシリコン層の落ち込み(リセス)が無くなる。これにより、基板表面からゲート電極として利用できるので、チャネル層を浅く形成でき、TATの短縮やIDSSの歩留まりを向上できる。従来のゲート電極は実動作領域上で全面エッチングされるので、ポリシリコン層の落ち込み(リセス)が生じ、ゲート電極が基板表面から落ち込むことになっていた。このため、ソース領域やチャネル層もこの落ち込み分を考慮して深く形成しなければ成らず、TATの増加やIDSSの歩留まりが低下する問題があった。しかし本発明によれば、ゲート電極上に第2ゲート引き出し電極を設けることで、このリセスの発生が無くなり、チャネル層を浅く形成することができる。
【0089】
また、ボディコンタクト領域、ソース電極とのコンタクト形成がマスクなしで行える。従来では、ソース領域、ボディコンタクト領域、層間絶縁膜及びソース電極とのコンタクト形成はそれぞれマスクが必要であったが、本発明によれば3枚のマスクが削減できる。すなわち、TATの短縮やコストの削減に大きく寄与でき、尚かつ動作速度が向上する半導体装置の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体装置を説明する(A)平面図、(B)拡大斜視図である。
【図2】本発明の半導体装置を説明する断面図である。
【図3】本発明の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】本発明の半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【図8】本発明の半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【図9】本発明の半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【図10】本発明の半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【図11】従来の半導体装置の(A)平面図、(B)拡大斜視図、(C)断面図である。
【図12】従来の半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【図13】従来の半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【図14】従来の半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【図15】従来の半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
Claims (8)
- 半導体基板にストライプ状に設けられ、トレンチ構造のゲート電極を有するトランジスタのセルが配置された実動作領域と、
該実動作領域外周に設けられ前記ゲート電極に電圧を印加する第1のゲート引き出し電極と、
該第1のゲート引き出し電極とコンタクトし、前記実動作領域上で少なくとも前記ゲート電極および該ゲート電極と隣接する前記基板表面を覆って格子状に配置された第2のゲート引き出し電極とを具備することを特徴とする半導体装置。 - 半導体基板に設けられた一導電型のドレイン領域と、
該半導体基板に設けた逆導電型のチャネル層と、
前記基板表面において複数のストライプ状に設けられ、前記チャネル層を貫通し前記ドレイン領域まで到達するトレンチと、
該トレンチ表面に設けたゲート絶縁膜と、
前記トレンチに埋め込まれた半導体材料からなるゲート電極と、
前記チャネル層表面の前記トレンチに隣接して設けた一導電型のソース領域と、
前記隣接するトレンチ間の前記チャネル層表面に設けられた凹部と、
前記凹部表面に設けられた逆導電型のボディコンタクト領域とを有する実動作領域と、
該実動作領域外周に設けられ前記ゲート電極に電圧を印加する第1のゲート引き出し電極と、
該第1のゲート引き出し電極とコンタクトし、前記実動作領域上で少なくとも前記ゲート電極および該ゲート電極と隣接する前記基板表面を覆って格子状に配置された第2のゲート引き出し電極と、
該第2のゲート引き出し電極の側壁に設けられたサイドウォールとを具備することを特徴とする半導体装置。 - 前記第2のゲート引き出し電極は前記ゲート電極と同じ種類の半導体材料からなることを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記第2のゲート引き出し電極上には絶縁膜を介して前記実動作領域の一部とコンタクトするソース電極が設けられることを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記第1のゲート引き出し電極は全周にわたって金属層とコンタクトし、前記金属層にゲート電圧が印加されることを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載の半導体装置。
- 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し、該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し、該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ゲート電極を形成し、同時に予定の実動作領域外周を囲む第1のゲート引き出し電極を形成し、少なくとも前記ゲート電極および該ゲート電極と隣接する前記基板表面を覆って格子状に配置され、前記第1のゲート引き出し電極および前記ゲート電極とコンタクトする第2のゲート引き出し電極を形成する工程と、
隣接する前記トレンチの間の前記チャネル層表面に一導電型不純物拡散領域を形成する工程と、
前記第2のゲート引き出し電極上に絶縁膜を形成し、前記第2のゲート電極側壁に絶縁膜からなるサイドウォールを形成する工程と、
前記サイドウォールをマスクとして前記チャネル層表面をエッチングして凹部を形成し 、前記トレンチに隣接するソース領域を形成する工程と、
前記凹部に露出した前記チャネル層表面に逆導電型のボディコンタクト領域を形成し、実動作領域を形成する工程と、
全面にソース電極を形成する工程とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記凹部は、前記一導電型不純物拡散領域より深く前記チャネル層より浅く形成されることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1のゲート引き出し電極および前記第2のゲート引き出し電極は前記ゲート電極と同一工程で形成された半導体材料であることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
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