JP4088031B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【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、特に単位素子領域にそれぞれ縦方向に形成されたN 型領域およびP 型領域が横方向に隣接するMOS FET 構造を有する半導体装置の構造およびその製造方法に関するもので、低オン抵抗・高耐圧が要求されるパワースイッチング素子に使用される。
【0002】
【従来の技術】
MOS FET を利用したパワースイッチング素子は、低オン抵抗化・高耐圧化が求められるが、従来のプレーナ構造のパワーMOS FET は、オン抵抗を下げると耐圧も下がり、高耐圧化するとオン抵抗が高くなるという相反する関係を有する。
【0003】
即ち、図5に示すようなプレーナ構造のパワーMOS FET は、不純物濃度が比較的濃いN+基板61上に形成された不純物濃度が比較的薄いN-エピ層62の表面にMOS構造が形成されており、基板裏面からN-エピ層62を介してMOS FET ヘの電流経路をとっている。
【0004】
このため、MOS FET のオン動作時の抵抗(オン抵抗)はN-エピ層62の厚さに依存する。また、空乏層はN-エピ層62中を伸びるので、耐圧維持はN-エピ層62の厚さで決まる。このように、電流経路と耐圧を維持する領域が同一であるので、高耐圧化のためにN-エピ層62の厚さを大きくとると、オン抵抗が上がり、逆に、N-エピ層62の厚さを薄くしてオン抵抗を下げると、耐圧も下がるという相反する関係が存在しており、両者を満足させることは困難であった。
【0005】
上記した従来のプレーナ構造のパワーMOS FET における低オン抵抗と高耐圧化との相反する関係を払拭し、低オン抵抗・高耐圧化を図るために、例えば" Cool mos-a new milestone in high voltage Power MOS " by L.Lorenz, G.Deboy(文献1)により、Super Junction(超接合)構造を有するMOS FET (クールMOS; Siemens社登録商標)が提案されている。
【0006】
この超接合構造のパワーMOS FET は、図6に示すように、電流経路となるN ピラー(pillar)領域71とドレイン・ソース間逆方向耐圧を維持するためのP ピラー層72をそれぞれ縦方向に形成している。
【0007】
この構造により、オン抵抗はN ピラー層71の濃度に依存し、耐圧は、横方向へ空乏層を伸ばすので、N ピラー層71とP ピラー層72の濃度と幅で決まる。その結果、図5に示した従来のプレーナ構造のパワーMOS FET に対して、同等のドレイン・ソース間逆方向耐圧(例えば600 V)を確保し、且つ、オン抵抗を約1/3 〜1/4 に低減させることが可能になる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、文献1に示されているMOS FET の製造プロセスは、シリコンのエピタキシャル成長とパターニングとイオン注入を複数回繰り返す必要があるので複雑である。このような非常に長いプロセスに伴い、費用と時間を必要とし、製造価格が大幅に上昇し、半導体チップのコスト面でメリットが少ない。
【0009】
この点を改善すべく、本願出願人は、低オン抵抗化・高耐圧化の両方を満足するパワーMOS FET を低コストで製造し得る生産性の高いディープトレンチMOS(Deep Trench MOS;DTMOS)の構造およびその製造方法を提案した。
【0010】
このDTMOS 構造は、超接合構造並の低オン抵抗特性を、比較的短い製造工程(ディープトレンチ形成、B とAsの同時イオン注入および熱拡散、絶縁物分離領域形成、平坦化)により、200 V以上の中高耐圧を有するMOS FET を実現可能としたものであり、大幅な工程削減が可能となり、製造価格が半減する。
【0011】
ここで、上記提案に係るDTMOS FET の基本構造およびその製造方法について概略を説明しておく。
【0012】
図7は、現在提案中のDTMOS FET の基本構造の一部を示す断面図である。
【0013】
このDTMOS FET の各単位素子(セル)は、ボロン(Boron;B) 拡散により幅10μmで縦方向に形成された断面短冊状のP+ピラー層83の両側(両横)にヒ素(As)拡散により幅約2.5 μmで縦方向に形成された断面短冊状のN+ピラー層84が存在するNPN ピラー層を有する。そして、このNPN ピラー層を取り囲んでトレンチ(溝)が設けられ、その内部に絶縁物85が埋め込まれている。
【0014】
上記2つのN+ピラー層84内での(As−B )総量の合計とP+ピラー層83内での(B −As)総量とは、±5 %以内の差で等しく設定されている。この不純物量の高精度の制御は、トレンチ側壁へのAs,B のイオン注入によって達成できる。
【0015】
そして、P+ピラー層83の上部にP+ベース(base)領域87が形成され、その表面に選択的にN+ソース(Source)領域86が形成されており、チャネル領域(N+ソース領域86とN+ピラー層84とで挟まれたP 領域表面部分)上にゲート酸化膜88を介してゲート電極89が形成されており、その上に形成された層間絶縁膜の開口部を介してN+ソース領域86にコンタクトするようにソース金属配線90が形成されている。これにより、N+基板80をドレインとし、N+ピラー層84を電流経路とするパワーMOSFET 構造が実現されている。
【0016】
図8は、図7に示したDTMOS FET の一例としてストライプパターン型のDTMOSFET の平面パターンおよび断面構造の一部を示す斜視図である。
【0017】
この構造は、各単位素子のNPN ピラー層とトレンチ部を平面ストライプパターン状に配置したものである。
【0018】
図9は、図7に示したDTMOS FET の他の例として、オフセットメッシュ型のDTMOS FET の平面パターンおよび断面構造の一部を示す斜視図である。
【0019】
この構造は、DTMOS のチャンネル密度を上げるために、各単位素子のNPN ピラー層を平面オフセットメッシュ状に配置したものである。
【0020】
図10は、図7乃至図9に示したDTMOS FET のN+ピラー層の構造の改善例に係るDTMOS FET の構造の一例を示す断面図である。
【0021】
図7乃至図9に示した構造では、電圧印加時にN+ピラー層84の表面に空乏層が広がるので、表面電荷の影響を受けやすくなり、Na+ イオン等があると部分的に空乏化が妨げられ、その部分に電界集中が起き、ブレークダウンにつながるおそれがある。
【0022】
これに対して図10に示す構造は、N+ピラー層84の表面のうちでトレンチ側壁部に連なる一部にN+領域84a を形成したことにより、電圧印加時にN+ピラー層84の表面に空乏層が達しないようにしている。この場合、N+領域84a はN ソース領域の形成時に同時に形成できるので、工程の増加は伴わない。
【0023】
図11は、図7乃至図9に示したトレンチ内部の絶縁物85の構造の改善例に係るDTMOS FET の構造の一例を示す断面図である。
【0024】
図7乃至図9に示した構造では、トレンチ内部は絶縁物85で埋め込まれているが、トレンチ内部を酸化膜(SiO2 膜)等の絶縁物85で完全に埋め込むのには、長い時間を必要とする。また、埋め込み後の熱工程で、N+ピラー層84、P+ピラー層83のシリコンと上記 SiO2 膜等の絶縁物85の熱膨脹係数の差からトレンチ底部のシリコンに大きな熱応力が加わり、その部分に結晶欠陥が集中的に発生し、リーク電流が増加するおそれがある。
【0025】
これに対して図11に示す構造は、トレンチ側面に絶縁膜85a を形成した後にトレンチ内部をポリシリコン(Poly Si) 85b で埋めたものである。トレンチ内部のポリシリコン85b は、電流経路ではなく、完全な埋め込みは必要でないので、高成長速度(短時間)で形成する(埋め込む)ことが可能である。
【0026】
また、N+ピラー層84、P+ピラー層83のシリコンとトレンチ内部のポリシリコン85b の熱膨脹係数は等しいので、ポリシリコン85b の埋め込み後に熱工程を経てもトレンチ底部のシリコンに大きな熱応力が加わることはない。したがって、その部分に結晶欠陥が発生してリーク電流が増加するようなことは防止される。
【0027】
図12は、図7に示したDTMOS FET の製造工程の一部を概略的に説明するためにDTMOS FET の断面構造の一部を示している。
【0028】
まず、N+基板80上に形成されたN-エピ層81の表面からN+基板80に達するトレンチ82を反応性イオンエッチング(RIE) にて形成する。この時、N-エピ層81表面のトレンチ以外の部分は酸化膜91で覆われている。
【0029】
次に、例えば回転イオン注入法により、トレンチ側壁に約7 °の注入角度でAsおよびB のイオンを注入する。次に、1150℃で24時間以上の熱拡散により、As,B の同時拡散を行う。
【0030】
この際、Asの拡散係数よりB の拡散係数の拡散係数が十分に大きいことにより、トレンチ側壁から、Asは約2.5 μm拡散してN+ピラー層84となり、B は約7.5 μm拡散するとともに両側からの拡散が重なってP+ピラー層83となる。即ち、熱処理後の構造は、内部のP+ピラー層83を挟んでトレンチ側壁部にN+ピラー層84が存在するNPN ピラー層が完成する。
【0031】
次に、トレンチ側面に熱酸化により酸化膜(SiO2 膜)を形成し、さらに、気相成長(Chemical Vapor Deposition;CVD)法により Si02 膜あるいはSiN 膜を形成する。この際、図11に示したような絶縁物の構造を実現するためには、トレンチ側面に絶縁膜、例えば酸化膜(SiO2 膜)85a を形成した後、トレンチ内部をポリシリコン85b で埋め戻すようにしてもよい。この時、トレンチ内部のポリシリコン85b は、トレンチ側面の両側から成長させるので、短時間で埋込み可能である。
【0032】
次に、化学的機械研磨(CMP) により基板表面を平坦化する。それ以降の工程は、プレーナ構造のMOS FET の製造工程と同様に行い、図7に示したように、P+ピラー層83の上部にP+ベース領域を形成し、P+ベース領域上の一部にN+ソース領域、チャネル領域(N+ソース領域とN+ピラー層とで挟まれたP 領域表面部分)上にゲート酸化膜を介してゲート電極を形成することにより、N+基板80をドレインとし、N+ピラー層84を電流経路とするパワーMOS FET 構造を実現する。
【0033】
上記製造方法は、P+ピラー層83、N+ピラー層84を形成し、表面を平坦化するまでのプロセスは、N-エピタキシャル成長が1 回、トレンチ埋め込みが1 回、B イオンとAsイオンのインプラが少ない。
【0034】
ところで、図7に示した構造では、MOS FET の閾値電圧Vthを確保するために、P+ピラー層83の上部表面にあるP+ベース領域87の形成に際して、P+ピラー層83より高濃度になるようにB イオンを注入し、熱拡散しなくてはならない。
【0035】
したがって、不純物濃度が濃いP+ベース領域87とP+ピラー層83との境目は、濃度勾配が急峻になり、P+ベース領域87下で電界集中が起り易く、耐圧に不利になるという問題がある。
【0036】
上記したように現在提案されている超接合構造を有するパワーMOS FET は、ソース領域下のベース領域で電界が集中し、ドレイン・ソース間逆方向耐圧に不利になるという問題があった。
【0037】
本発明は上記の問題点を解決するためにされたもので、ソース領域下のベース領域における電界集中を防ぎ、より高いドレイン・ソース間逆方向耐圧を安定に確保するとともにオン抵抗が低いMOS FET を実現可能な半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【0038】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、低抵抗エピ層を有する半導体基板と、前記低抵抗エピ層の表面から前記半導体基板まで達する深さを有し、底面よりも開口部が広く、開口周縁部に丸みを持ったテーパ面が形成されたトレンチと、前記トレンチの側壁から前記低抵抗エピ層に第1導電型不純物と第2導電型不純物がイオン注入されて熱拡散により形成され、隣り合うトレンチの対向する側壁面にそれぞれ沿って縦方向に形成された第2導電型ピラー層とそれらに挟まれて隣接して縦方向に形成された第1導電型ピラー層と、前記トレンチの内部に埋め込まれた絶縁物と、前記第1導電型ピラー層の表面に選択的に形成された第2導電型のソース領域と、前記第2導電型のソース領域と前記第2導電型ピラー層との間のチャネル領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極とを具備し、前記第1導電型ピラー層をベースとし、前記第2導電型ピラー層を電流経路とし、前記半導体基板をドレインとするMOS FET が形成されてなり、前記第1導電型ピラー層の表面から4.0 μm以上の深さ位置で濃度分布の勾配が零付近になって一定濃度になっていることを特徴とする。
【0040】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、低抵抗エピ層を有する半導体基板の低抵抗エピ層の表面から前記半導体基板に達する深さを有し、底面よりも開口部が広く、開口周縁部に丸みを持ったテーパ面を備えたトレンチを形成する工程と、前記トレンチの側壁に第1導電型不純物と第2導電型不純物をイオン注入して熱拡散を行うことにより、第1導電型不純物と第2導電型不純物の拡散係数の違いを利用してトレンチ側壁面に縦方向に沿う第2導電型ピラー層およびそれに縦方向に沿って隣接するとともに表面から深さ方向における不純物濃度が表面から所定の深さ位置まで深さとともに減少する第1導電型ピラー層を形成する工程と、前記トレンチの内部に絶縁物を埋め込んだ後に表面を平坦化する工程と、前記第1導電型ピラー層の上部表面に選択的に第2導電型ソース領域を形成し、該第2導電型ソース領域と前記第2導電型ピラー層との間のチャネル領域上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程とを具備し、前記半導体基板をドレインとし、前記第2導電型ピラー層を前記ドレインと前記第2導電型のソース領域との間の電流経路とするMOS FET 形成することを特徴とする。
【0041】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【0042】
<第1の実施の形態>
図1は、本発明の第1の実施の形態に係るDTMOS FET の断面構造の一部を示している。
【0043】
このDTMOS FET は、Siウェハ上に形成されてチップに分離されたものである。N++ 基板1 上に形成されたN-エピ層において、ボロン(B) を拡散した幅10μmの断面短冊状のP+ピラー層3 の両側(両横)にヒ素(As)を拡散した幅約2.5 μmの断面短冊状のN+ピラー層4 が存在するNPN ピラー層(幅は約15μm)が左右方向に繰り返し存在する。この場合、NPN ピラー層を取り囲んで、N-エピ層表面からN++ 基板1 内に達する深さ(50μm以上)で幅が約8 μmのトレンチ(溝)が設けられ、その内部に絶縁物層5 が埋め込まれることにより、互いに分離された多数の単位素子(セル)が形成されている。この場合、トレンチは、N-エピ層の表面からN++ 基板1 まで達する深さを有し、底面よりも開口部が広く、開口周縁部に丸みを持ったテーパ面が形成されている。
【0044】
上記NPN ピラー層において、2つのN+ピラー層4 内での(As−B )総量の合計とP+ピラー層3 内での(B −As)総量とは、±5 %以内の差で等しく設定されている。つまり、P+ピラー層3 とN+ピラー層4 はほぼ同濃度であり、このような不純物量の高精度の制御は、トレンチ側壁へのB,Asのイオン注入によって達成できる。また、P+ピラー層3 における表面から深さ方向への不純物濃度の分布は、後述するように設定制御されている。
【0045】
そして、P+ピラー層3 の表面には選択的にN+ソース領域6 が形成されており、このN+ソース領域6 とN+ピラー層4 との間のチャネル領域上にゲート絶縁膜8 を介してゲート電極9 が形成されており、その上に形成された層間絶縁膜の開口部を介してN+ソース領域6 にコンタクトするようにソース金属配線10が形成されている。これにより、N+ソース領域6 とN++ 基板(ドレイン領域)1 との間でN+ピラー層4 を電流経路とするNMOS FETが構成されている。
【0046】
なお、P+ピラー層3 の上部表面付近の不純物濃度が濃い部分をベース領域として用いることができるが、所望の閾値電圧Vthを確保するために、P+ピラー層3の上部表面付近に図中点線で示すようにP+ベース領域7 を形成した場合でも、前記と同様に、不純物濃度の分布としてP+ベース領域7 とP+ピラー層3 との境界付近においても深さ方向に緩やかな勾配を持たせることができる。
【0047】
なお、トレンチ内部には、図11に示したように、トレンチ内壁に誘電膜(例えばSi3 N4 あるいは SiO2 )が形成された後に、絶縁物(ポリシリコンあるいは SiO2 )が埋め込まれてもよい。ゲート絶縁膜8 は、基板の強度を保つために熱酸化膜(SiO2 ) が用いられている。ゲート電極9 は、ポリシリコンあるいは金属シリサイドが用いられている。
【0048】
また、図10に示した場合と同様に、N+ピラー層4 の表面のうちでトレンチ側壁部に連なる一部にN+領域を形成することにより、電圧印加時にN+ピラー層4 の表面に空乏層が達しないようにしてもよい。
【0049】
また、上記したような断面構造を有するDTMOS FET の平面パターンは、図8に示したようなストライプパターンでもよく、図9に示したようなオフセットメッシュ型パターンでもよい。
【0050】
図2は、図1に示したDTMOS FET のP+ピラー層3 内の垂直断面(B-B'線)における不純物濃度の分布の一例を示している。
【0051】
本例では、各単位素子のNPN ピラー層の中央に位置するP+ピラー層3 における上部表面から深さ方向への不純物濃度の分布として、表面部の濃度が濃い部分(ベース領域)から深さ方向へ向かって緩やかな勾配を有しながら濃度が低下し、表面から約4.0 μm以上の深さ位置(ベース領域より深い位置)で濃度分布の勾配が零付近になってほぼ一定濃度になっている。
【0052】
図3は、図1に示したDTMOS FET のP+ピラー層3 の上部表面での濃度分布の勾配が零付近になってほぼ一定濃度になる深さ位置(P ベース深さ)をパラメータとしてドレイン・ソース間逆方向耐圧をシミュレーションにより検証した結果の一例を示すグラフである。
【0053】
この結果から、P ベース深さが3.5 μmの場合に耐圧400 Vが得られる400 V系のDTMOS FET に本発明を適用し、P ベース深さを約4.0 μm以上にすれば、耐圧が408 V以上(2 %以上)に向上し、P ベース深さを約4.5 μm以上にすれば、耐圧が413 V以上(3 %以上)に向上することが分かる。600 V系のDTMOS FETに本発明を適用しても、同様な効果が得られることは容易に推察できる。
【0054】
即ち、上記実施例のDTMOS FET の構造によれば、図7を参照して前述した提案例と同様に、オン抵抗を従来のプレーナ型MOS FET に対して大幅に低減することができる。また、P+ピラー層3 における上部表面付近が不純物濃度の濃いベース領域として用いられており、所望の閾値電圧Vthを確保することができ、しかも、上部表面から所定の深さ部分までは不純物濃度の分布が緩やかな勾配を有するので、ソース領域下の電界集中を和らげることができる。その結果、より高いドレイン・ソース間逆方向耐圧を実現することができる。
【0055】
なお、上記説明では、N 型のDTMOS FET を示したが、P 型のDTMOS FET にも同様に本発明を適用することができる。
【0056】
図4(a)乃至(d)は、図1に示したDTMOS FET の製造工程の一例として、単位素子(セル)の半分を取り出して断面構造を示している。
【0057】
即ち、まず、図4(a)に示すように、半導体基板(N++ 基板)1 上に低抵抗エピ層(N-エピ層)2 を形成した後、N-エピ層2 の表面上にエッチングマスク11を形成し、N-エピ層2 の表面からN++ 基板1 まで達するように深く、かつ、底面よりも開口部が広いトレンチ12を形成する。
【0058】
この際、後述の効果を得るために、トレンチ開口周縁部に丸みを持ったテーパ面を形成しておく。このようなトレンチ開口周縁部を形成する工程の一例としては、トレンチ開口後に、トレンチ開口のために用いた基板上のエッチングマスク(例えば SiO2 膜)11のトレンチ開口周縁部付近を後退させるように処理(例えばフッ化アンモンを用いた等方性エッチング)し、CDE を用いてエッチングすることによりトレンチ開口周縁部に丸みを持たせるようにすればよい。
【0059】
また、上記したようなトレンチ開口周縁部を形成する工程の他の例としては、トレンチ側面にテーパをつけるように開口するエッチングマシンを使用する際、RIE 用ガスの供給時間とデポジット用ガスの供給時間を所定のパターンにしたがって変化させながら繰り返すことによりトレンチ開口周縁部に丸みを持たせるようにしてもよい。
【0060】
次に、例えば回転イオン注入法により、図4(b)に示すように、トレンチ側壁に約7 °の注入角度でP 型不純物(本例ではB )とN 型不純物(本例ではAs)をイオン注入する。この際、Asのイオン注入は、例えば加速電圧が60KeV、ドーズ量が4.1 ×1013cm-2の条件で行い、B のイオン注入は、例えば加速電圧が60KeV、ドーズ量が4 ×1013cm-2の条件で行う。
【0061】
次に、1150℃、2000分以上の熱拡散により、As,B の同時拡散を行う。この際、B の拡散係数の拡散係数がAsの拡散係数より十分に大きいことにより、図4(c)に示すように、トレンチ側壁面に縦方向に沿う断面短冊状のN ピラー層4およびそれに横方向に隣接するとともに両側からの拡散が重なった断面短冊状のP ピラー層3 が、それぞれほぼ同濃度で形成される。即ち、熱処理後の構造は、内部のP ピラー層3 を挟んで両側(トレンチ側壁部)にN ピラー層4 が存在するNPN ピラー層が完成する。
【0062】
また、上記2つのN ピラー層4 内での(As−B )総量の合計とP ピラー層3 内での(B −As)総量とは、±5 %以内の差で等しくなる。この不純物量の高精度の制御は、前述したようなトレンチ側壁へのAs,B イオンの同時注入によって達成できる。
【0063】
また、イオン注入で入射される面の向き(角度)でイオン注入のドーズ量が決まることに着目し、予めトレンチ開口周縁部のテーパ面に丸みを持たせているので、イオン注入で入射される面の向き(角度)がテーパ面の丸みにより変化し、P ピラー層3 における上部表面から深さ方向への不純物濃度の分布の勾配が緩やかになるように制御することが可能になる。
【0064】
次に、図4(d)に示すように、トレンチ内部に絶縁物5 を埋め込んだ後に、例えばCMP 法あるいはエッチングにより表面を平坦化する。本例では、トレンチ面に熱酸化により酸化膜(SiO2 膜)を形成し、さらに、気相成長(Chemical Vapor Deposition;CVD)法により Si02 膜あるいはSiN 膜を形成する。
【0065】
この際、トレンチ内壁にSi3 N4 膜あるいは Si02 膜を形成した後に、トレンチ内に優先的にポリシリコン(Poly Si) を成長させて埋めるようにしてもよい。トレンチ内部のポリシリコンは、電流経路ではないので完全な埋め込みは必要でなく、トレンチ側面の両側から成長させることにより高成長速度での埋め込みが可能である。
【0066】
次に、P ピラー層3 の上部表面のチャネル領域上にゲート絶縁膜8 を介してゲート電極9 を形成するとともに、P ピラー層3 の表面に選択的にN+ソース領域6を形成する。これにより、N++ 基板1 をドレインとし、N+ピラー層4 をN+ソース領域6 とドレインとの間の電流経路とするDTMOS FET が得られる。
【0067】
即ち、上記実施例のDTMOS FET の製造方法によれば、エピ層表面から基板に達する深さを有し、底面よりも開口部が広く、開口周縁部に丸みを持ったテーパ面を備えたトレンチを形成し、トレンチ側壁にP 型不純物とN 型不純物をイオン注入して熱拡散を行うことにより、トレンチ側壁面に縦方向に沿うN ピラー層4 およびそれに縦方向に沿って隣接するP ピラー層3 を形成する。
【0068】
このような工程により、表面から深さ方向における不純物濃度の分布が表面から所定の深さ位置まで緩やかに変化するP ピラー層3 を形成することが可能になる。この際、同時にP ピラー層3 の上部表面に、不純物濃度の濃い部分(P ベース層)を形成することが可能になり、後でP ベース層を形成する工程を削減することが可能になる。但し、後でP ベース層形成工程を実施してもよいことはいうまでもない。
【0069】
なお、上記説明では、N 型のDTMOS FET の製造方法を示したが、P 型のDTMOSFET の製造方法にも同様に本発明を適用することができる。
【0070】
<第2の実施の形態>
第1の実施の形態では、DTMOS FET のトレンチ開口周縁部に丸みを持ったテーパ面を持たせたが、DTMOS FET のトレンチ開口周縁部に丸みを持ったテーパ面を持たせない場合でも、図2に示したような不純物濃度分布を持たせる構造(第2の実施の形態)とすることにより、前述したと同様の効果が得られる。
【0071】
<第3の実施の形態>
第2の実施の形態第1の実施の形態では、DTMOS FET を示したが、プレーナ構造のMOS FET においても、P ベース領域に図2に示したような不純物濃度分布を持たせる構造(第3の実施の形態)とすることにより、前述したと同様の効果が得られることは容易に推察できる。
【0072】
【発明の効果】
上述したように本発明によれば、ソース領域下のベース領域における電界集中を防ぎ、より高いドレイン・ソース間逆方向耐圧を安定に確保するとともにオン抵抗が低いMOS FET を実現可能な半導体装置およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係るDTMOS FET の構造の一部を示す断面図。
【図2】図1に示したDTMOS FET のP+ピラー層内の垂直断面(B-B'線)における不純物濃度の分布の一例を示す図。
【図3】図1に示したDTMOS FET のP ベース深さをパラメータとしてドレイン・ソース間逆方向耐圧をシミュレーションにより検証した結果の一例を示すグラフ。
【図4】図1に示したDTMOS FET の製造工程の一例として単位素子(セル)の半分を取り出して示す断面図。
【図5】従来のプレーナ構造のパワーMOS FET の一部を示す断面図。
【図6】従来の超接合構造のパワーMOS FET の一部を示す断面図。
【図7】現在提案中のDTMOS FET の基本構造の一部を示す断面図。
【図8】図7に示したDTMOS FET の一例としてストライプパターン型のDTMOS FET の平面パターンおよび断面構造の一部を示す斜視図。
【図9】図7に示したDTMOS FET の他の例として、オフセットメッシュ型のDTMOS FETの平面パターンおよび断面構造の一部を示す斜視図。
【図10】図7乃至図9に示した構造の改善例に係るDTMOS FET の構造の一例を示す断面図。
【図11】図7乃至図9に示したトレンチ内部の絶縁物85の構造の改善例に係るDTMOS FET の構造の一例を示す断面図。
【図12】図7に示したDTMOS FET の製造工程の一部を概略的に説明するためにDTMOS FET の構造の一部を示す断面図。
【符号の説明】
1 …N++ 基板、
2 …N-エピ層、
3 …P+ピラー層、
4 …N+ピラー層、
5 …絶縁物層、
6 …N+ソース領域、
7 P+ ベース領域、
8 …ゲート絶縁膜、
9 …ゲート電極
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device, and more particularly, to a structure of a semiconductor device having a MOS FET structure in which an N-type region and a P-type region formed in a vertical direction in a unit element region are laterally adjacent to each other The present invention relates to a method, and is used for a power switching element that requires low on-resistance and high breakdown voltage.
[0002]
[Prior art]
Power switching elements using MOS FETs are required to have low on-resistance and high withstand voltage. However, conventional planar power MOS FETs have low on-resistance and low on-resistance. Have a conflicting relationship.
[0003]
That is, in the planar structure power MOS FET as shown in FIG. 5, the MOS structure is formed on the surface of the N-epi layer 62 having a relatively low impurity concentration formed on the N + substrate 61 having a relatively high impurity concentration. The current path from the back surface of the substrate to the MOS FET through the N-epi layer 62 is taken.
[0004]
For this reason, the resistance (ON resistance) during the ON operation of the MOS FET depends on the thickness of the N-epi layer 62. Further, since the depletion layer extends in the N-epi layer 62, the breakdown voltage maintenance is determined by the thickness of the N-epi layer 62. Thus, since the current path and the region for maintaining the withstand voltage are the same, increasing the thickness of the N-epi layer 62 to increase the withstand voltage increases the on-resistance, and conversely, the N-epi layer 62 If the on-resistance is reduced by reducing the thickness of the substrate, there is a conflicting relationship that the breakdown voltage also decreases, and it is difficult to satisfy both.
[0005]
To eliminate the conflicting relationship between low on-resistance and high breakdown voltage in the conventional planar structure power MOS FET described above, for example, "Cool mos-a new milestone in high voltage" Power MOSFET "by L. Lorenz, G. Deboy (Reference 1) proposes a MOS FET (Cool MOS; registered trademark of Siemens) having a Super Junction structure.
[0006]
As shown in FIG. 6, this super-junction structure power MOS FET has an N pillar region 71 serving as a current path and a P pillar layer 72 for maintaining a reverse breakdown voltage between the drain and source in the vertical direction. Forming.
[0007]
With this structure, the on-resistance depends on the concentration of the N pillar layer 71, and the withstand voltage is determined by the concentration and width of the N pillar layer 71 and the P pillar layer 72 because the depletion layer extends in the lateral direction. As a result, the drain-source reverse breakdown voltage (for example, 600 V) equivalent to that of the conventional planar structure power MOS FET shown in FIG. 5 is ensured and the on-resistance is about 1/3 to 1/1 /. 4 can be reduced.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, the MOS FET manufacturing process disclosed in Document 1 is complicated because it is necessary to repeat silicon epitaxial growth, patterning, and ion implantation a plurality of times. With such a very long process, cost and time are required, the manufacturing price increases significantly, and there are few advantages in terms of the cost of the semiconductor chip.
[0009]
In order to improve this point, the applicant of the present invention is a highly productive deep trench MOS (DTMOS) that can manufacture a power MOS FET that satisfies both low on-resistance and high breakdown voltage at low cost. The structure and its manufacturing method were proposed.
[0010]
This DTMOS structure has a low on-resistance characteristic comparable to that of a superjunction structure, with a relatively short manufacturing process (deep trench formation, simultaneous ion implantation and thermal diffusion of B and As, insulation isolation region formation, planarization). This makes it possible to realize a MOS FET with the above-mentioned medium and high breakdown voltage, enabling a significant reduction in the number of processes and reducing the manufacturing price by half.
[0011]
Here, an outline of the basic structure of the DTMOS FET according to the above proposal and the manufacturing method thereof will be described.
[0012]
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a part of the basic structure of the DTMOS FET currently proposed.
[0013]
Each unit element (cell) of this DTMOS FET is formed by arsenic (As) diffusion on both sides (both sides) of a strip-shaped P + pillar layer 83 formed in a longitudinal direction with a width of 10 μm by boron (B) diffusion. It has an NPN pillar layer in which an N + pillar layer 84 having a strip-like cross section formed in a vertical direction with a width of about 2.5 μm exists. A trench (groove) is provided surrounding the NPN pillar layer, and an insulator 85 is embedded therein.
[0014]
The total amount of (As−B) in the two N + pillar layers 84 and the total amount of (B−As) in the P + pillar layer 83 are set to be equal with a difference within ± 5%. This highly accurate control of the amount of impurities can be achieved by ion implantation of As and B into the trench sidewall.
[0015]
A P + base region 87 is formed on the P + pillar layer 83, and an N + source region 86 is selectively formed on the surface of the P + pillar layer 83, so that a channel region (N + source region 86 and N + pillar layer is formed). A gate electrode 89 is formed via a gate oxide film 88 on the surface of the P region sandwiched between 84 and the N + source region 86 through an opening of an interlayer insulating film formed thereon. Thus, a source metal wiring 90 is formed. As a result, a power MOSFET structure in which the N + substrate 80 is a drain and the N + pillar layer 84 is a current path is realized.
[0016]
FIG. 8 is a perspective view showing a part of a planar pattern and a sectional structure of a stripe pattern type DTMOSFET as an example of the DTMOS FET shown in FIG.
[0017]
In this structure, the NPN pillar layer and the trench portion of each unit element are arranged in a planar stripe pattern.
[0018]
FIG. 9 is a perspective view showing a part of a planar pattern and a sectional structure of an offset mesh type DTMOS FET as another example of the DTMOS FET shown in FIG.
[0019]
In this structure, in order to increase the channel density of DTMOS, the NPN pillar layers of each unit element are arranged in a plane offset mesh shape.
[0020]
FIG. 10 is a cross-sectional view showing an example of the structure of the DTMOS FET according to the improvement example of the structure of the N + pillar layer of the DTMOS FET shown in FIGS.
[0021]
In the structure shown in FIGS. 7 to 9, since a depletion layer spreads on the surface of the N + pillar layer 84 when a voltage is applied, it becomes easy to be affected by surface charge, and if there are Na + ions or the like, depletion is partially prevented. There is a risk that electric field concentration will occur in that part, leading to breakdown.
[0022]
On the other hand, in the structure shown in FIG. 10, a depletion layer is formed on the surface of the N + pillar layer 84 when a voltage is applied by forming the N + region 84a in a part of the surface of the N + pillar layer 84 connected to the trench sidewall. It is trying not to reach. In this case, since the N + region 84a can be formed simultaneously with the formation of the N source region, the number of processes is not increased.
[0023]
FIG. 11 is a cross-sectional view showing an example of the structure of a DTMOS FET according to an improved example of the structure of the insulator 85 inside the trench shown in FIGS.
[0024]
In the structure shown in FIGS. 7 to 9, the inside of the trench is filled with the insulator 85, but it takes a long time to completely fill the inside of the trench with the insulator 85 such as an oxide film (SiO 2 film). I need. Also, in the thermal process after filling, a large thermal stress is applied to the silicon at the bottom of the trench due to the difference in thermal expansion coefficient between the silicon of the N + pillar layer 84 and the P + pillar layer 83 and the insulator 85 such as the SiO 2 film. Crystal defects may occur intensively and leakage current may increase.
[0025]
On the other hand, in the structure shown in FIG. 11, an insulating film 85a is formed on the side surface of the trench, and then the trench is filled with polysilicon (Poly Si) 85b. The polysilicon 85b inside the trench is not a current path and does not need to be completely buried, and can therefore be formed (buried) at a high growth rate (short time).
[0026]
In addition, since the thermal expansion coefficients of the silicon in the N + pillar layer 84 and the P + pillar layer 83 and the polysilicon 85b in the trench are equal, a large thermal stress is applied to the silicon at the bottom of the trench even after a thermal process after filling the polysilicon 85b. Absent. Therefore, it is possible to prevent the occurrence of crystal defects in the portion and increase in leakage current.
[0027]
FIG. 12 shows a part of the cross-sectional structure of the DTMOS FET in order to schematically explain a part of the manufacturing process of the DTMOS FET shown in FIG.
[0028]
First, a trench 82 reaching the N + substrate 80 from the surface of the N-epi layer 81 formed on the N + substrate 80 is formed by reactive ion etching (RIE). At this time, the portion other than the trench on the surface of the N-epi layer 81 is covered with the oxide film 91.
[0029]
Next, As and B ions are implanted into the trench sidewall at an implantation angle of about 7 °, for example, by the rotary ion implantation method. Next, simultaneous diffusion of As and B is performed by thermal diffusion at 1150 ℃ for 24 hours or more.
[0030]
At this time, as the diffusion coefficient of B is sufficiently larger than the diffusion coefficient of As, As diffuses from the trench side wall by approximately 2.5 μm to become the N + pillar layer 84, and B diffuses by approximately 7.5 μm and from both sides. P + pillar layer 83 is formed by overlapping the diffusion of the P + pillar layer 83. That is, the structure after the heat treatment completes an NPN pillar layer in which the N + pillar layer 84 is present on the trench side wall with the internal P + pillar layer 83 interposed therebetween.
[0031]
Next, an oxide film (SiO 2 film) is formed on the side surface of the trench by thermal oxidation, and further, a SiO 2 film or a SiN film is formed by a chemical vapor deposition (CVD) method. At this time, in order to realize the structure of the insulator as shown in FIG. 11, an insulating film, for example, an oxide film (SiO 2 film) 85a is formed on the side surface of the trench, and then the inside of the trench is backfilled with polysilicon 85b. You may do it. At this time, since the polysilicon 85b in the trench is grown from both sides of the trench side surface, it can be buried in a short time.
[0032]
Next, the substrate surface is planarized by chemical mechanical polishing (CMP). Subsequent processes are performed in the same manner as the planar MOS FET manufacturing process. As shown in FIG. 7, a P + base region is formed on the P + pillar layer 83, and an N + is partially formed on the P + base region. By forming a gate electrode through a gate oxide film on the source region and the channel region (the P region surface portion sandwiched between the N + source region and the N + pillar layer), the N + substrate 80 serves as the drain, and the N + pillar layer 84 A power MOS FET structure with a current path as the current path is realized.
[0033]
In the above manufacturing method, the P + pillar layer 83 and the N + pillar layer 84 are formed, and the process until the surface is flattened is one N-epitaxial growth, one trench filling, and few implantations of B ions and As ions. .
[0034]
By the way, in the structure shown in FIG. 7, in order to secure the threshold voltage Vth of the MOS FET, the P + base region 87 on the upper surface of the P + pillar layer 83 is formed so as to have a higher concentration than the P + pillar layer 83. B ions must be implanted and thermally diffused.
[0035]
Therefore, the boundary between the P + base region 87 having a high impurity concentration and the P + pillar layer 83 has a problem that the concentration gradient becomes steep, electric field concentration tends to occur under the P + base region 87, and the breakdown voltage is disadvantageous.
[0036]
As described above, the power MOS FET having the super junction structure currently proposed has a problem that the electric field is concentrated in the base region under the source region, which is disadvantageous for the reverse breakdown voltage between the drain and the source.
[0037]
The present invention has been made to solve the above problems, and prevents the electric field concentration in the base region under the source region, stably ensuring a higher reverse breakdown voltage between the drain and the source, and having a low on-resistance. An object of the present invention is to provide a semiconductor device and a method for manufacturing the same.
[0038]
[Means for Solving the Problems]
Semi conductor arrangement of the present invention includes a semiconductor substrate having a low resistance epitaxial layer, said having a depth reaching the surface of the low-resistance epitaxial layer to said semiconductor substrate, wider opening than bottom, rounded opening edge And a trench having a tapered surface formed therein, and a first conductivity type impurity and a second conductivity type impurity are ion-implanted from the sidewall of the trench into the low resistance epilayer and formed by thermal diffusion, and are opposed to adjacent trenches. A second conductivity type pillar layer formed in a vertical direction along each side wall surface, a first conductivity type pillar layer formed in a vertical direction adjacent to the second conductivity type pillar layer, and embedded in the trench An insulator; a second conductivity type source region selectively formed on a surface of the first conductivity type pillar layer; and a channel between the second conductivity type source region and the second conductivity type pillar layer. A gate insulating film over the region A gate electrode formed as a base, the first conductivity type pillar layer as a base, the second conductivity type pillar layer as a current path, and the semiconductor substrate as a drain. wherein the gradient of the concentration distribution is in a certain concentration is near zero at the surface from 4.0 [mu] m or more depth position of the first conductive type pillar layer.
[0040]
A method of manufacturing a semi-conductor device of the present invention has a depth from the surface of the low-resistance epitaxial layer of a semiconductor substrate having a low resistance epitaxial layer reaches the semiconductor substrate, wider opening than bottom, the opening peripheral edge Forming a trench having a tapered surface with a rounded portion, and performing thermal diffusion by ion implantation of a first conductivity type impurity and a second conductivity type impurity into the sidewall of the trench, thereby performing first diffusion impurity concentration in the depth direction from the surface with by utilizing a difference in impurity diffusion coefficient of the second conductivity type impurity is adjacent along the second conductive type pillar layer along the longitudinal direction and therewith in the vertical direction to the trench side wall forming a first conductive type pillar layer decreases predetermined with depth position until in depth from the surface, planarizing the surface after embedding the inside insulator of said trench, said first conductivity type Pillar layer Selectively forming a second conductivity type source region part surface to form a gate electrode through a gate insulating film on a channel region between the second conductivity type source region and the second conductive type pillar layer comprising a step, wherein a semiconductor substrate as a drain, and forming a MOS FET to a current path between the second conductive type pillar layer between the drain and the second conductivity type source region .
[0041]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0042]
<First Embodiment>
FIG. 1 shows a part of a cross-sectional structure of a DTMOS FET according to the first embodiment of the present invention.
[0043]
This DTMOS FET is formed on a Si wafer and separated into chips. In the N-epi layer formed on the N ++ substrate 1, the width of arsenic (As) diffused about 2.5 μm on both sides (both sides) of a P + pillar layer 3 having a strip-like cross section with a width of 10 μm diffused with boron (B) The NPN pillar layer (width is about 15 μm) in which the N + pillar layer 4 having a strip-like cross section exists is repeatedly present in the left-right direction. In this case, a trench (groove) having a depth (50 μm or more) reaching the inside of the N ++ substrate 1 from the N-epi layer surface and having a width of about 8 μm is provided surrounding the NPN pillar layer, and the insulating layer 5 Is embedded to form a large number of unit elements (cells) separated from each other. In this case, the trench has a depth reaching the N ++ substrate 1 from the surface of the N-epi layer, has an opening wider than the bottom, and has a tapered surface with a rounded periphery at the opening.
[0044]
In the above NPN pillar layer, the total amount of (As−B) in the two N + pillar layers 4 and the total amount of (B−As) in the P + pillar layer 3 are set equal to each other with a difference within ± 5%. ing. That is, the P + pillar layer 3 and the N + pillar layer 4 have substantially the same concentration, and such high-precision control of the impurity amount can be achieved by ion implantation of B and As into the trench sidewall. Further, the distribution of the impurity concentration in the depth direction from the surface in the P + pillar layer 3 is set and controlled as described later.
[0045]
An N + source region 6 is selectively formed on the surface of the P + pillar layer 3, and a gate electrode is formed on the channel region between the N + source region 6 and the N + pillar layer 4 via a gate insulating film 8. 9 is formed, and the source metal wiring 10 is formed so as to contact the N + source region 6 through the opening of the interlayer insulating film formed thereon. Thus, an NMOS FET is formed between the N + source region 6 and the N ++ substrate (drain region) 1 using the N + pillar layer 4 as a current path.
[0046]
A portion having a high impurity concentration near the upper surface of the P + pillar layer 3 can be used as a base region. However, in order to secure a desired threshold voltage Vth, a dotted line in the figure near the upper surface of the P + pillar layer 3 is used. As shown in the figure, even when the P + base region 7 is formed, it is possible to give a gentle gradient in the depth direction even near the boundary between the P + base region 7 and the P + pillar layer 3 as the impurity concentration distribution as described above. it can.
[0047]
As shown in FIG. 11, a dielectric film (eg, Si 3 N 4 or SiO 2 ) is formed on the inner wall of the trench, and then an insulator (polysilicon or SiO 2 ) is buried in the trench. Good. As the gate insulating film 8 , a thermal oxide film (SiO 2 ) is used to maintain the strength of the substrate. The gate electrode 9 is made of polysilicon or metal silicide.
[0048]
Similarly to the case shown in FIG. 10, a depletion layer is formed on the surface of the N + pillar layer 4 when a voltage is applied by forming an N + region in a part of the surface of the N + pillar layer 4 that continues to the trench side wall. May not be reached.
[0049]
Further, the planar pattern of the DTMOS FET having the above-described cross-sectional structure may be a stripe pattern as shown in FIG. 8 or an offset mesh type pattern as shown in FIG.
[0050]
FIG. 2 shows an example of the impurity concentration distribution in the vertical cross section (BB line) in the P + pillar layer 3 of the DTMOS FET shown in FIG.
[0051]
In this example, the distribution of the impurity concentration from the upper surface to the depth direction in the P + pillar layer 3 located at the center of the NPN pillar layer of each unit element is the depth direction from the portion where the surface portion concentration is high (base region). Concentration decreases with a gentle gradient toward the surface, and the concentration distribution is almost constant at a depth of about 4.0 μm or more from the surface (deeper than the base region). .
[0052]
3 shows the depth position (P base depth) where the slope of the concentration distribution on the upper surface of the P + pillar layer 3 of the DTMOS FET shown in FIG. It is a graph which shows an example of the result of having verified reverse breakdown voltage between sources by simulation.
[0053]
From this result, if the present invention is applied to a 400 V type DTMOS FET in which a withstand voltage of 400 V is obtained when the P base depth is 3.5 μm, and the P base depth is about 4.0 μm or more, the withstand voltage is 408 V. It can be seen that the breakdown voltage is improved to 413 V or more (3% or more) when the P base depth is about 4.5 μm or more. Even if the present invention is applied to a 600 V DTMOS FET, it can be easily assumed that the same effect can be obtained.
[0054]
That is, according to the structure of the DTMOS FET of the above embodiment, the on-resistance can be greatly reduced as compared with the conventional planar type MOS FET as in the proposed example described above with reference to FIG. Further, the vicinity of the upper surface of the P + pillar layer 3 is used as a base region having a high impurity concentration, so that a desired threshold voltage Vth can be ensured, and the impurity concentration from the upper surface to a predetermined depth portion can be maintained. Since the distribution has a gentle slope, the electric field concentration under the source region can be reduced. As a result, a higher reverse breakdown voltage between the drain and the source can be realized.
[0055]
In the above description, an N-type DTMOS FET is shown, but the present invention can be similarly applied to a P-type DTMOS FET.
[0056]
4A to 4D show a cross-sectional structure of a half of a unit element (cell) taken out as an example of the manufacturing process of the DTMOS FET shown in FIG.
[0057]
That is, first, as shown in FIG. 4A, a low resistance epilayer (N-epi layer) 2 is formed on a semiconductor substrate (N ++ substrate) 1 and then an etching mask is formed on the surface of the N-epi layer 2. 11 is formed, and a trench 12 is formed so as to reach the N ++ substrate 1 from the surface of the N-epi layer 2 and has a wider opening than the bottom surface.
[0058]
At this time, in order to obtain the effect described later, a tapered surface having a roundness is formed at the peripheral edge of the trench opening. As an example of the step of forming the peripheral edge of the trench opening, the vicinity of the peripheral edge of the trench opening of the etching mask (for example, SiO 2 film) 11 on the substrate used for opening the trench is made to recede after the opening of the trench. Processing (for example, isotropic etching using ammonium fluoride) and etching using CDE may round the trench opening periphery.
[0059]
Further, as another example of the process of forming the peripheral edge of the trench opening as described above, when using an etching machine that opens to taper the side surface of the trench, the supply time of the RIE gas and the supply of the deposit gas You may make it round a trench opening peripheral part by repeating changing time according to a predetermined pattern.
[0060]
Next, as shown in FIG. 4B, for example, by a rotary ion implantation method, a P-type impurity (B 2 in this example) and an N-type impurity (As in this example) are implanted into the trench sidewall at an implantation angle of about 7 °. Ion implantation. At this time, As ions are implanted under the conditions of, for example, an acceleration voltage of 60 KeV and a dose of 4.1 × 10 13 cm −2 , and B ions are implanted with an acceleration voltage of 60 KeV and a dose of 4 × 10 13 cm 2, for example. Perform under the condition of -2 .
[0061]
Next, simultaneous diffusion of As and B is performed by thermal diffusion at 1150 ℃ for 2000 minutes or more. At this time, since the diffusion coefficient of the diffusion coefficient of B 2 is sufficiently larger than the diffusion coefficient of As, as shown in FIG. 4C, the strip-shaped N pillar layer 4 along the longitudinal direction along the trench side wall and P-pillar layers 3 having a strip-like cross section adjacent to each other in the lateral direction and overlapping from both sides are formed at substantially the same concentration. That is, in the structure after the heat treatment, an NPN pillar layer in which the N pillar layers 4 are present on both sides (trench side wall portions) sandwiching the inner P pillar layer 3 is completed.
[0062]
Further, the total amount of (As−B) in the two N pillar layers 4 and the total amount of (B−As) in the P pillar layer 3 are equal to each other with a difference within ± 5%. This highly accurate control of the impurity amount can be achieved by simultaneous implantation of As and B ions into the trench sidewall as described above.
[0063]
In addition, paying attention to the fact that the dose amount of ion implantation is determined by the direction (angle) of the surface incident by ion implantation, since the tapered surface of the peripheral edge of the trench is rounded in advance, it is incident by ion implantation. The direction (angle) of the surface changes depending on the roundness of the tapered surface, and it becomes possible to control the gradient of the impurity concentration distribution from the upper surface to the depth direction in the P pillar layer 3 to be gentle.
[0064]
Next, as shown in FIG. 4D, after the insulator 5 is buried in the trench, the surface is flattened by, for example, the CMP method or etching. In this example, an oxide film (SiO 2 film) is formed on the trench surface by thermal oxidation, and a SiO 2 film or a SiN film is formed by a vapor deposition (CVD) method.
[0065]
At this time, Si 3 After the N 4 film or the SiO 2 film is formed, polysilicon (Poly Si) may be preferentially grown and filled in the trench. Since the polysilicon inside the trench is not a current path, it is not necessary to completely bury it, and it can be buried at a high growth rate by growing from both sides of the trench.
[0066]
Next, the gate electrode 9 is formed on the channel region on the upper surface of the P pillar layer 3 via the gate insulating film 8 , and the N + source region 6 is selectively formed on the surface of the P pillar layer 3. As a result, a DTMOS FET having the N ++ substrate 1 as a drain and the N + pillar layer 4 as a current path between the N + source region 6 and the drain is obtained.
[0067]
That is, according to the method of manufacturing the DTMOS FET of the above embodiment, a trench having a depth reaching the substrate from the epilayer surface, a wider opening than the bottom, and a tapered surface with a rounded periphery at the opening. The N pillar layer 4 along the vertical direction on the side wall of the trench and the P pillar layer adjacent thereto along the vertical direction are formed by ion implantation of the P type impurity and the N type impurity into the trench side wall and performing thermal diffusion. Form 3
[0068]
By such a process, it is possible to form the P pillar layer 3 in which the impurity concentration distribution in the depth direction from the surface gradually changes from the surface to a predetermined depth position. At this time, it is possible to form a portion with a high impurity concentration (P base layer) on the upper surface of the P pillar layer 3 at the same time, thereby reducing the number of steps for forming the P base layer later. However, it goes without saying that the P base layer forming step may be performed later.
[0069]
In the above description, a method for manufacturing an N-type DTMOS FET has been described. However, the present invention can also be applied to a method for manufacturing a P-type DTMOSFET.
[0070]
<Second Embodiment>
In the first embodiment, a rounded taper surface is provided at the periphery of the trench opening of the DTMOS FET. By adopting the structure having the impurity concentration distribution as shown in 2 (second embodiment), the same effect as described above can be obtained.
[0071]
<Third Embodiment>
Second Embodiment In the first embodiment, a DTMOS FET is shown. However, even in a planar-structure MOS FET, the P base region has the impurity concentration distribution as shown in FIG. It can be easily guessed that the same effect as described above can be obtained by adopting the embodiment.
[0072]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a semiconductor device capable of preventing a concentration of an electric field in the base region under the source region, stably securing a higher reverse breakdown voltage between the drain and the source, and realizing a MOS FET having a low on-resistance. A manufacturing method thereof can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a part of the structure of a DTMOS FET according to a first embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing an example of an impurity concentration distribution in a vertical section (BB ′ line) in a P + pillar layer of the DTMOS FET shown in FIG. 1;
FIG. 3 is a graph showing an example of the result of verifying the reverse breakdown voltage between the drain and source by simulation using the P base depth of the DTMOS FET shown in FIG. 1 as a parameter;
4 is a cross-sectional view showing a half of a unit element (cell) as an example of a manufacturing process of the DTMOS FET shown in FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a part of a conventional planar structure power MOS FET.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a part of a conventional super-junction power MOS FET.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a part of the basic structure of a DTMOS FET currently being proposed.
8 is a perspective view showing a part of a planar pattern and a cross-sectional structure of a stripe pattern type DTMOS FET as an example of the DTMOS FET shown in FIG. 7;
9 is a perspective view showing a part of a planar pattern and a sectional structure of an offset mesh type DTMOS FET as another example of the DTMOS FET shown in FIG. 7;
10 is a cross-sectional view showing an example of the structure of a DTMOS FET according to an improvement example of the structure shown in FIGS. 7 to 9. FIG.
11 is a cross-sectional view showing an example of the structure of a DTMOS FET according to an improvement example of the structure of the insulator 85 inside the trench shown in FIGS. 7 to 9. FIG.
12 is a cross-sectional view showing a part of the structure of the DTMOS FET in order to schematically explain a part of the manufacturing process of the DTMOS FET shown in FIG. 7;
[Explanation of symbols]
1… N ++ board,
2… N-epi layer,
3… P + pillar layer,
4… N + pillar layer,
5… insulator layer,
6… N + source region,
7 P + base region,
8 … Gate insulation film,
9 : Gate electrode .

Claims (15)

低抵抗エピ層を有する半導体基板と、
前記低抵抗エピ層の表面から前記半導体基板まで達する深さを有し、底面よりも開口部が広く、開口周縁部に丸みを持ったテーパ面が形成されたトレンチと、
前記トレンチの側壁から前記低抵抗エピ層に第1導電型不純物と第2導電型不純物がイオン注入されて熱拡散により形成され、隣り合うトレンチの対向する側壁面にそれぞれ沿って縦方向に形成された第2導電型ピラー層とそれらに挟まれて隣接して縦方向に形成された第1導電型ピラー層と、
前記トレンチの内部に埋め込まれた絶縁物と、
前記第1導電型ピラー層の表面に選択的に形成された第2導電型のソース領域と、
前記第2導電型のソース領域と前記第2導電型ピラー層との間のチャネル領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極とを具備し、
前記第1導電型ピラー層をベースとし、前記第2導電型ピラー層を電流経路とし、前記半導体基板をドレインとするMOS FET が形成されてなり、
前記第1導電型ピラー層の表面から4.0 μm以上の深さ位置で濃度分布の勾配が零付近になって一定濃度になっていることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor substrate having a low resistance epilayer;
A trench having a depth reaching the semiconductor substrate from the surface of the low-resistance epilayer, having a wider opening than the bottom, and a tapered surface having a rounded periphery at the opening;
The first conductivity type impurity and the second conductivity type impurity are ion-implanted from the sidewall of the trench into the low resistance epilayer and formed by thermal diffusion, and are formed in the vertical direction along the opposing sidewall surfaces of adjacent trenches. A second conductivity type pillar layer and a first conductivity type pillar layer formed vertically adjacent to and sandwiched between them,
An insulator embedded in the trench;
A second conductivity type source region selectively formed on a surface of the first conductivity type pillar layer;
A gate electrode formed on a channel region between the second conductivity type source region and the second conductivity type pillar layer via a gate insulating film;
Forming a MOS FET having the first conductivity type pillar layer as a base, the second conductivity type pillar layer as a current path, and the semiconductor substrate as a drain;
Wherein a gradient of the concentration distribution is in a certain concentration is near zero at the surface from 4.0 [mu] m or more depth position of the first conductive type pillar layer.
前記第1導電型不純物のイオン注入のドーズ量は、開口周縁部の丸みを持ったテーパ面により制御され、前記第1導電型ピラー層の表面から深さ方向における不純物濃度が第1導電型ピラー層の表面から所定の深さ位置まで深さとともに減少していることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。Dose of ion implantation of the first conductivity type impurity is controlled by a tapered surface having a rounded opening edge, the impurity concentration in the depth direction from the surface of the first conductive type pillar layer first conductivity type the semiconductor device according to claim 1, characterized in that it decreases with a predetermined depth position until in depth from the surface of the pillar layer. 前記第1導電型ピラー層の上部表面部は第1導電型不純物濃度が濃いベース領域となっていることを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。  3. The semiconductor device according to claim 1, wherein an upper surface portion of the first conductivity type pillar layer is a base region having a high first conductivity type impurity concentration. 前記第2導電型ピラー層における(第2導電型不純物量−第1導電型不純物量)の総量と前記第1導電型ピラー層における(第1導電型不純物量−第2導電型不純物量)の総量とは、±5 %以内の差となるように設定されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置。  The total amount of (second conductivity type impurity amount−first conductivity type impurity amount) in the second conductivity type pillar layer and (first conductivity type impurity amount−second conductivity type impurity amount) in the first conductivity type pillar layer. 4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is set to have a difference within ± 5% with respect to the total amount. 5. 前記第2導電型ピラー層の上部表面のうち前記トレンチ側壁部に連なる一部に選択的に前記第2導電型のソース領域と同不純物濃度の第2導電型領域が形成されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置。A second conductivity type region having the same impurity concentration as that of the source region of the second conductivity type is selectively formed in a part of the upper surface of the second conductivity type pillar layer that continues to the trench sidewall. The semiconductor device according to any one of claims 1 to 4. 前記低抵抗エピ層を有する半導体基板は、N-エピ層を有するN+基板であり、前記第1導電型不純物は、前記第2導電型不純物はAsであることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置。2. The semiconductor substrate having the low resistance epitaxial layer is an N + substrate having an N-epi layer, wherein the first conductivity type impurity is B and the second conductivity type impurity is As. 6. The semiconductor device according to any one of 5 above. 前記トレンチの内部に埋め込まれた絶縁物は、
前記トレンチの内壁に Si02 膜あるいはSi3 N4 膜を介してポリシリコンが埋め込まれていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の半導体装置。
The insulator embedded in the trench is
7. The semiconductor device according to claim 1, wherein polysilicon is embedded in an inner wall of the trench via a SiO 2 film or a Si 3 N 4 film.
前記ゲート絶縁膜は SiO2 であり、前記ゲート電極はポリシリコンあるいは金属シリサイドであることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate insulating film is made of SiO 2 , and the gate electrode is made of polysilicon or metal silicide. 低抵抗エピ層を有する半導体基板の低抵抗エピ層の表面から前記半導体基板に達する深さを有し、底面よりも開口部が広く、開口周縁部に丸みを持ったテーパ面を備えたトレンチを形成する工程と、
前記トレンチの側壁に第1導電型不純物と第2導電型不純物をイオン注入して熱拡散を行うことにより、第1導電型不純物と第2導電型不純物の拡散係数の違いを利用してトレンチ側壁面に縦方向に沿う第2導電型ピラー層およびそれに縦方向に沿って隣接するとともに表面から深さ方向における不純物濃度が表面から所定の深さ位置まで深さとともに減少する第1導電型ピラー層を形成する工程と、
前記トレンチの内部に絶縁物を埋め込んだ後に表面を平坦化する工程と、
前記第1導電型ピラー層の上部表面に選択的に第2導電型ソース領域を形成し、該第2導電型ソース領域と前記第2導電型ピラー層との間のチャネル領域上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程とを具備し、
前記半導体基板をドレインとし、前記第2導電型ピラー層を前記ドレインと前記第2導電型のソース領域との間の電流経路とするMOS FET を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
A trench having a depth reaching the semiconductor substrate from the surface of the low-resistance epilayer of the semiconductor substrate having a low-resistance epilayer, having an opening wider than the bottom, and a rounded tapered surface at the periphery of the opening Forming, and
The first conductivity type impurity and the second conductivity type impurity are ion-implanted into the sidewall of the trench and thermal diffusion is performed, thereby utilizing the difference in the diffusion coefficient between the first conductivity type impurity and the second conductivity type impurity to the trench side. the first conductive second conductive type pillar layer along the longitudinal direction and the impurity concentration in the depth direction from the surface with an adjacent it along the longitudinal direction decreases with a predetermined depth position until in depth from the front surface to the wall surface Forming a mold pillar layer; and
Flattening the surface after embedding an insulator inside the trench;
A second conductivity type source region is selectively formed on an upper surface of the first conductivity type pillar layer, and a gate insulating film is formed on a channel region between the second conductivity type source region and the second conductivity type pillar layer. Forming a gate electrode through
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a MOS FET using the semiconductor substrate as a drain and using the second conductivity type pillar layer as a current path between the drain and the source region of the second conductivity type.
前記イオン注入に際して、前記第1導電型不純物のイオン注入のドーズ量を開口周縁部の丸みを持ったテーパ面により制御して前記不純物濃度の分布を実現することを特徴とする請求項9記載の半導体装置の製造方法。  10. The impurity concentration distribution is realized by controlling a dose amount of the ion implantation of the first conductivity type impurity by a tapered surface having a rounded periphery of the opening at the time of the ion implantation. A method for manufacturing a semiconductor device. 前記イオン注入に際して前記第1導電型ピラー層の上部表面部に第1導電型不純物のイオン注入のドーズ量を多くし、前記拡散により第1導電型ピラー層の上部表面部に第2導電型ベース領域を形成することを特徴とする請求項10記載の半導体装置の製造方法。  During the ion implantation, the dose of ion implantation of the first conductivity type impurity is increased on the upper surface portion of the first conductivity type pillar layer, and the second conductivity type base is formed on the upper surface portion of the first conductivity type pillar layer by the diffusion. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein a region is formed. 前記平坦化する工程は、CMP あるいはエッチングを用いることを特徴とする請求項9乃至11のいずれか1項記載の半導体装置の製造方法。  12. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 9, wherein the planarizing step uses CMP or etching. 前記低抵抗エピ層を有する半導体基板は、N-エピ層を有するN+基板であり、前記第1導電型不純物は、前記第2導電型不純物はAsであることを特徴とする請求項9乃至12のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。10. The semiconductor substrate having the low resistance epitaxial layer is an N + substrate having an N-epi layer, wherein the first conductivity type impurity is B and the second conductivity type impurity is As. 13. A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of 12 above. 前記トレンチの内部に絶縁物を埋め込む際、
トレンチの内壁に Si02 膜あるいはSi3 N4 膜を形成した後、トレンチの内部にポリシリコンを成長させることを特徴とする請求項9乃至13のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
When embedding an insulator inside the trench,
After forming the Si0 2 film or the Si 3 N 4 film on the inner wall of the trench, the method of manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 9 to 13, wherein the growing the polysilicon in the trench .
前記ゲート絶縁膜は SiO2 であり、前記ゲート電極はポリシリコンあるいは金属シリサイドであることを特徴とする請求項9乃至14のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。The gate insulating layer is SiO 2, the gate electrode manufacturing method of a semiconductor device according to any one of claims 9 to 14, wherein the polysilicon or metal silicide.
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