JP4711620B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置、特にトレンチゲートを有する縦型MOSFET半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a vertical MOSFET semiconductor device having a trench gate and a method for manufacturing the same.
従来、トレンチゲートを有する縦型MOSFET半導体装置(以下、単にMOSFETと称する)において、ゲート引き出し電極となるポリシリコンをオーバーラップさせる部分(トレンチゲートの終端部分)の構造は、以下に示す様に構成されていた。 2. Description of the Related Art Conventionally, in a vertical MOSFET semiconductor device having a trench gate (hereinafter simply referred to as a MOSFET), the structure of a portion where polysilicon is overlapped as a gate lead electrode (end portion of a trench gate) is configured as shown below. It had been.
図17〜19及び図20〜22は、従来の一般的なMOSFETの構造について工程順に説明したものである。特に、NchパワーのMOSFETのうち、ゲートトレンチの終端部分の断面図について示す。図23は、図17〜19及び図20〜22に示した各断面図に対応するMOSFETの平面図を示す。まず簡単に図7について説明すると、ゲートトレンチ304が半導体基板301に縦横に設けられており、ゲートトレンチ304の終端部分はポリシリコン306がオーバーラップしており、その端部にはPAD部分303が設けられている。図17〜19は図23のA−A’断面図であり、図20〜22は図23のB−B’断面図である。
FIGS. 17 to 19 and FIGS. 20 to 22 illustrate the structure of a conventional general MOSFET in the order of steps. In particular, a cross-sectional view of a termination portion of a gate trench in an Nch power MOSFET is shown. FIG. 23 is a plan view of the MOSFET corresponding to each of the cross-sectional views shown in FIGS. 17 to 19 and FIGS. 20 to 22. First, briefly describing FIG. 7, the
まず、半導体基板301に、Pウェル層302をフォトリソグラフィー技術によって選択的にボロンのイオン注入と熱処理を施して形成する(図17(a)、図20(a))。次に、ゲート引き出し電極用のワイヤ配置領域となるPAD部分303をロコス酸化(Local Oxidation of Silicon)によって形成する(図17(b)、図20(b))。
First, a P-
次に、ゲートトレンチ304をフォトリソグラフィー技術により選択的なエッチングよって形成する(図17(c)、図20(c))。続いて、ゲート酸化膜305を熱酸化法にて全面に形成する(図18(a)、図21(a))。次に、全面にゲート引き出し電極用のポリシリコン306をCVD法によって形成する図18(b)、図21(b))。このポリシリコン306は、ゲートトレンチ304と一部が重なるように、フォトリソグラフィー技術により選択的にエッチング処理が施されている。このとき、ゲート酸化膜305は、ポリシリコン306と接触していない表面部分は除いておく(図18(c)、図21(c))。続いて、能動セル用のベース領域307をボロンのイオン注入と熱処理によって形成し、次にソース領域308をヒ素のイオン注入と熱処理によって形成する(図19(a)、図22(a))。
Next, the
次に、BPSG(ボロンリンドープ酸化膜)をCVD法により形成し、層間絶縁膜309を形成し、フォトリソグラフィー技術により選択的にBPSGをエッチングすることによりコンタクトホールを形成し、最後に表面にアルミニウムをスパッタリングしてソース電極310を形成する(図19(b)、図22(b))。以上に説明した工程により、パワーMOSFETを製造することができる。
Next, BPSG (boron phosphorus doped oxide film) is formed by CVD method, an
図24〜26は、特許文献1に開示されている構造であって、工程順にその断面を示したものである。特徴は、トレンチを含む基板全体に、シリコン窒化膜/シリコン絶縁膜の2層構造が形成されていることである。 24 to 26 show the structure disclosed in Patent Document 1, and show the cross sections in the order of steps. A feature is that a two-layer structure of silicon nitride film / silicon insulating film is formed on the entire substrate including the trench.
半導体基板401上にトレンチ402を形成する(図24(a))。続いて、約100Åの酸化膜403及び約200Åの窒化膜404を、トレンチ402内部を含む半導体基板401の全面に形成する(図24(b))。続いて、全面に約4000Åの第一ポリシリコン405を形成する。第一ポリシリコン405には高濃度のリンがドープされている(図24(c))。その上に、約1000Åの酸化膜からなる中間層407を形成する(図25(a))。これは第一ポリシリコン405よりもエッチングレートが遅いものであれば他の物でも代用できる。
A
中間層407の上に、更に約4000Åの第二ポリシリコン408を形成する(図25(b))。これによって、トレンチ402内にある凹部406を埋め込む。第二ポリシリコン408は、中間層407をエッチングの終端の検出としてエッチバックして、凹部406部分のみに残す(図25(c))。次に、中間層407をエッチングにて除去し、第一ポリシリコン405を露出させる(図26(a))。最後に、第一ポリシリコン405を選択エッチングすることにより、セルプレート409を構成する(図26(b))。
On the
図27は、特許文献2に開示されている構造であって、(a)は縦型パワーMOSFETの平面図、(b)はそのB−B断面図、(c)はそのC−C断面図である。トレンチ514aを含む半導体基板511全体に、第一酸化膜515/シリコン窒化膜516/第二酸化膜517の3層構造が形成されている。但し、図9(c)では、トレンチ514bの部分は、ゲート絶縁膜520とゲート電極配線521とから構成されており、トレンチ514b以外では、第一酸化膜515/シリコン窒化膜516/第二酸化膜517の3層構造により構成されている。
27A and 27B show the structure disclosed in Patent Document 2, wherein FIG. 27A is a plan view of a vertical power MOSFET, FIG. 27B is its BB cross-sectional view, and FIG. 27C is its CC cross-sectional view. It is. A three-layer structure of a
従来の一般的な構造では、ゲート引き出し電極との接続のためのゲートトレンチの終端部分(トレンチゲート上にポリシリコンをオーバーラップさせる部分)が、ポリシリコンとゲート酸化膜とから成る2層の構造を有しており、能動セル部分との構造及びパターンの違い等から、形状差が生じ易い。その結果として、ゲート引き出し電極部分の耐量が低下するという問題があった。 In the conventional general structure, the end portion of the gate trench for connecting to the gate lead electrode (the portion where polysilicon is overlapped on the trench gate) is a two-layer structure comprising polysilicon and a gate oxide film. Due to differences in structure and pattern from the active cell portion, shape differences are likely to occur. As a result, there is a problem that the withstand capability of the gate lead-out electrode portion is lowered.
また、この構造ではオーバーラップ部分の構造がセル部分と同じベース領域、ソース領域を有するMOSトランジスタ構造であると、その部分で反転層が生じてMOSトランジスタの特性に変化を起こし、設計上困難になる場合があった。 In addition, in this structure, if the structure of the overlap portion is a MOS transistor structure having the same base region and source region as the cell portion, an inversion layer is generated in that portion, causing a change in the characteristics of the MOS transistor, which makes design difficult. There was a case.
特許文献1、2では、ゲートトレンチを含む基板全体に窒化膜を形成して、ポリシリコン/窒化膜/酸化膜の構造として、絶縁膜を2層構造としており、ゲート引き出し電極部分の耐量は良好となるが、この方法ではゲートトレンチを含む基板全体に行なっているために能動セル部分も同様の構造となり、能動セルの特性を劣化させるという問題があった。具体的には、しきい値電圧の上昇、オン抵抗の上昇等という不具合である。 In Patent Documents 1 and 2, a nitride film is formed on the entire substrate including the gate trench, and the insulating film has a two-layer structure as a polysilicon / nitride film / oxide film structure. However, since this method is applied to the entire substrate including the gate trench, the active cell portion has the same structure, and there is a problem that the characteristics of the active cell are deteriorated. Specifically, there are problems such as an increase in threshold voltage and an increase in on-resistance.
本願発明の目的は、そのような従来技術の問題点を解決し、ゲート引き出し電極部分の耐量が良好で、且つ特性の劣化のない半導体装置及びその製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to solve such problems of the prior art, and to provide a semiconductor device having a good gate lead-out electrode portion with no deterioration in characteristics and a method for manufacturing the same.
本願発明の半導体装置は、上記の目的を達成するため、ポリシリコンとゲート酸化膜とから成る2層構造で構成されるトレンチゲートを有する縦型MOS半導体装置において、前記トレンチゲートのうちゲート引き出し電極につながる部分は、ポリシリコンと窒化膜とゲート酸化膜とから成る3層の構造を有することを特徴とする。ポリシリコンと窒化膜とゲート酸化膜との構成順序は、半導体装置基板側から、ゲート酸化膜、次いで窒化膜、次いでポリシリコンとすることが望ましい。 The semiconductor device of the present invention, for achieving the above object, the vertical MOS semiconductor device having a trench gate composed of two layer structure consisting of polysilicon and gate oxide film, the gate lead-out electrode of the trench gate The portion connected to is characterized by having a three-layer structure comprising polysilicon, a nitride film, and a gate oxide film . Configuration order of the port Rishirikon nitride film and the gate oxide film, the semiconductor device substrate, a gate oxide film, then a nitride film, and then be polysilicon desirable.
従って、本願発明の半導体装置によれば、トレンチゲート上にゲート引き出し電極となるポリシリコンをオーバーラップさせる部分には窒化膜を追加形成し、能動セル部分には窒化膜を追加形成していないことから、ゲート引き出し電極部分の耐量が良好で、且つ特性の劣化のない半導体装置を提供することが可能となる。 Therefore, according to the semiconductor device of the present invention, an additional nitride film is formed on the trench gate where the polysilicon serving as the gate lead electrode overlaps, and no additional nitride film is formed on the active cell portion. Therefore, it is possible to provide a semiconductor device in which the gate lead-out electrode portion has a good withstand and no deterioration in characteristics.
本願発明の半導体装置の製造方法は、上記の目的を達成するため、能動セルの部分はポリシリコンとゲート酸化膜とから成る2層構造で構成されるトレンチゲートを有する縦型MOS半導体装置の製造方法において、前記トレンチゲートのうちゲート引き出し電極につながる部分は、トレンチを形成した半導体装置基板にゲート酸化膜を堆積させる工程と、当該工程により堆積したゲート酸化膜上に窒化膜を堆積させる工程と、当該工程により堆積した窒化膜上にポリシリコンを堆積させる工程とを含むことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention manufactures a vertical MOS semiconductor device having a trench gate having a two-layer structure in which an active cell portion is composed of polysilicon and a gate oxide film. in the method, the portion connected to the gate lead-out electrode of said trench gate comprises the steps of depositing a gate oxide film on a semiconductor device substrate formed with a trench, depositing a nitride film on a gate oxide film deposited by the process And a step of depositing polysilicon on the nitride film deposited by the step.
従って、本願発明の半導体装置の製造方法によれば、トレンチゲート上にゲート引き出し電極となるポリシリコンをオーバーラップさせる部分には、窒化膜を追加形成する工程を入れたので、ゲート引き出し電極部分の耐量が良好で、且つ特性の劣化のない半導体装置を提供することが可能となる。 Therefore, according to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, since a step of additionally forming a nitride film is added to the portion where the polysilicon serving as the gate lead electrode is overlapped on the trench gate, the gate lead electrode portion It is possible to provide a semiconductor device with good withstand capability and no deterioration in characteristics.
本願発明の半導体装置によれば、トレンチゲートを有するゲート引き出し電極の接続部分(トレンチゲートの終端部分)の構造のみを、従来のゲート引き出し電極(ポリシリコン)/ゲート酸化膜の構造から、ゲート引き出し電極(ポリシリコン)/窒化膜/ゲート酸化膜或いは、ゲート引き出し電極(ポリシリコン)/ゲート酸化膜/CVD法による酸化膜の構造とし、能動セル部分はゲート引き出し電極(ポリシリコン)/ゲート酸化膜の構造としたので、能動セル部分でしきい値電圧の上昇、オン抵抗の上昇などを起こさずに、ゲート引き出し電極部分の耐量の向上と、ポリシリコンをオーバーラップさせる部分での反転層形成防止が同時に可能になる。 According to the semiconductor device of the present invention, only the structure of the connection portion of the gate extraction electrode having the trench gate (the end portion of the trench gate) is changed from the conventional gate extraction electrode (polysilicon) / gate oxide film structure. Electrode (polysilicon) / nitride film / gate oxide film or gate lead electrode (polysilicon) / gate oxide film / oxide film structure by CVD method, active cell portion is gate lead electrode (polysilicon) / gate oxide film Because of this structure, the active cell portion does not cause an increase in threshold voltage, an increase in on-resistance, etc., improving the withstand capability of the gate lead-out electrode portion, and preventing the formation of an inversion layer in the portion where polysilicon is overlapped Is possible at the same time.
以下、本願発明の最良の形態を、実施形態1、実施形態2として説明する。
(実施形態1)
図1〜4及び図5〜8は実施形態1の半導体装置に係る工程順の断面図である。但し、図1〜4は図23のA−A’断面図、図5〜8は図23のB−B’断面図である。但し、NchパワーMOSFETのうち、ゲートトレンチの終端部分について示している。
Hereinafter, the best mode of the present invention will be described as a first embodiment and a second embodiment.
(Embodiment 1)
1 to 4 and FIGS. 5 to 8 are cross-sectional views in the order of steps according to the semiconductor device of the first embodiment. However, FIGS. 1-4 are AA 'sectional drawings of FIG. 23, FIGS. 5-8 is BB' sectional drawing of FIG. However, the end portion of the gate trench is shown in the Nch power MOSFET.
まず、半導体基板101に、Pウェル層102を、フォトリソグラフィー技術により、選択的にボロンのイオン注入と熱処理によって形成する(図1(a)、図5(a))。次にゲート引き出し電極用のワイヤ配置領域となるPAD部分103をロコス酸化によって形成する(図1(b)、図5(b))。次に、ゲートトレンチ104をフォトリソグラフィー技術により選択的なエッチングによって形成する(図1(c)、図5(c))。続いてゲート酸化膜105を熱酸化法にて全面に形成する(図2(a)、図6(a))。次に、全面に絶縁用の窒化膜111をCVD法によって形成する(図2(b)、図6(b))。この窒化膜111は、所定の領域のみ残すようにフォトリソグラフィー技術により選択的にエッチング処理を施す(図2(c)、図6(c))。
First, the
次に、全面にゲート引き出し電極用のポリシリコン106をCVD法によって形成する(図3(a)、図7(a))。このポリシリコン106を、前述の窒化膜111と同じパターンで残すように選択的にエッチング処理を施す。このとき、ゲート酸化膜105はポリシリコン106と接触していない表面部分は除いておく(図3(b)、図7(b))。
Next,
続いて、能動セル用のベース領域107をボロンのイオン注入と熱処理によって形成し、次にソース領域108をヒ素のイオン注入と熱処理によって形成する(図3(c)、図7(c))。次に、BPSGをCVD法により形成し、層間絶縁膜109を形成し、フォトリソグラフィー技術により選択的にBPSGをエッチングすることによりコンタクトホールを形成し、最終的に表面にアルミニウムをスパッタリングしてソース電極110を形成する(図4、図8)。以上に説明した工程により、パワーMOSFETを製造することができる。
Subsequently, the
図4及び図8より、ゲート酸化膜105の上に窒化膜111を形成している領域は、窒化膜111のない能動セル領域よりも絶縁膜が厚く、絶縁耐量が高くなる。従って、ゲート引き出し電極部分の耐量低下を回避することができる。
4 and 8, in the region where the
また、能動セルの部分は、ポリシリコン/ゲート酸化膜の構造であるから、特性の劣化を引き起こすことはない。さらに、ゲート酸化膜105の上に、窒化膜111を形成している領域は、能動セル部分に反転層を形成しオン状態にするための電圧を印加した場合でも、絶縁膜の厚さを増しているために、能動セル部分よりも高い電圧でなければ、ゲート引き出し電極用のポリシリコン106部分に反転層が形成されないため、ベース領域107の形成に依存した、設計通りのしきい値電圧の設定が可能になり、設計から外れたしきい値電圧やリークの発生を回避できる。
(実施形態2)
Further, since the active cell portion has a polysilicon / gate oxide structure, it does not cause deterioration of characteristics. Further, the region where the
(Embodiment 2)
図9〜12及び図13〜16は、本願発明の第2の実施形態を説明する工程順ごとの断面図である。但し、NchパワーMOSFETのうち、ゲートトレンチの終端部分の断面図を示している。即ち、図9〜12は図23のA−A’断面図であり、図13〜16は図23のB−B’断面図である。 9 to 12 and FIGS. 13 to 16 are cross-sectional views for each process order illustrating the second embodiment of the present invention. However, a cross-sectional view of the terminal portion of the gate trench in the Nch power MOSFET is shown. 9 to 12 are A-A ′ cross-sectional views of FIG. 23, and FIGS. 13 to 16 are B-B ′ cross-sectional views of FIG. 23.
まず、半導体基板201に、Pウェル層202をフォトリソグラフィー技術により選択的にボロンのイオン注入と熱処理によって形成する(図9(a)、図13(a))。次に、ゲート引き出し電極用のワイヤ配置領域となるPAD部分203をロコス酸化によって形成する(図9(b)、図13(b))。次に、ゲートトレンチ204をフォトリソグラフィー技術により選択的にエッチング処理を施すことによって形成する(図9(c)、図13(c))。続いて、CVD法による酸化膜211を前面に形成する(図10(a)、図14(a))。次に、CVD法による酸化膜211をフォリソグラフィー技術により選択的にエッチングし、目的の形状にする(図10(b)、図14(b))。続いて、全面にゲート酸化膜205を熱酸化法によって全面に形成する(図10(c)、図14(c))。
First, a
次に、全面にゲート引き出し電極用のポリシリコン206をCVD法によって形成する(図11(a)、図15(a))。このポリシリコン206を、前述のCVD法による酸化膜211と同じパターンで残すように選択的なエッチング処理を施す。このとき、ゲート酸化膜205はポリシリコン206と接触していない表面部分は除いておく(図11(b)、図15(b))。
Next,
続いて、能動セル用のベース領域207をボロンのイオン注入と熱処理によって形成し、次にソース領域208をヒ素のイオン注入と熱処理によって形成する(図11(c)、図15(c))。次に、BPSGをCVD法により形成し、層間絶縁膜209を形成し、フォトリソグラフィー技術により選択的にBPSGをエッチングすることによりコンタクトホールを形成し、最終的に、表面にアルミニウムをスパッタしてソース電極210を形成する(図12、図16)。以上に説明した工程により、パワーMOSFETを製造することができる。
Subsequently, the
第2の実施形態は、第1の実施形態で、ゲート引き出し電極(ポリシリコン)/窒化膜/ゲート酸化膜で成る3層構造を、ゲート引き出し電極(ポリシリコン)/ゲート酸化膜/CVD法の酸化膜で成る3層構造に置き換えたものである。能動セル部分はゲート引き出し電極(ポリシリコン)/ゲート酸化膜である。この方法においても、第1の実施形態と同様に、能動セル部分の構造は変化させることがないため、しきい値電圧の上昇、オン抵抗の上昇などを起こさずに、絶縁性の向上によるトレンチゲート引き出し部分の耐量の向上と、絶縁膜付加によるポリシリコンをオーバーラップさせる部分での反転層形成防止が同時に可能になる。 The second embodiment is the same as that of the first embodiment except that a three-layer structure consisting of a gate lead electrode (polysilicon) / nitride film / gate oxide film is formed by a gate lead electrode (polysilicon) / gate oxide film / CVD method. This is a three-layer structure made of an oxide film. The active cell portion is a gate extraction electrode (polysilicon) / gate oxide film. Also in this method, as in the first embodiment, the structure of the active cell portion is not changed, so that the trench by the improvement of the insulating property is not caused without causing an increase in threshold voltage or an increase in on-resistance. It is possible to improve the resistance of the gate lead-out portion and prevent the formation of the inversion layer in the portion where the polysilicon is overlapped by adding an insulating film.
パワーMOSFETを用いた製品、例えばDRAMキャパシター、フラッシュメモリ、FeRAMセル、スイッチ、コンバータ等に広く利用することが可能である。 It can be widely used for products using power MOSFETs, such as DRAM capacitors, flash memories, FeRAM cells, switches, converters, and the like.
511、101、201、301、401 半導体基板
102、202、302 Pウェル層
103、203、303 PAD部分
104、204、304 ゲートトレンチ
105、205、305 ゲート酸化膜
106、206、306 ポリシリコン
107、207、307 ベース領域
108、208、308 ソース領域
109、209、309 層間絶縁膜
110、210、310 ソース電極
111 窒化膜
211 CVD法による酸化膜
402 トレンチ
403 酸化膜
404 窒化膜
405 第一ポリシリコン
406 凹部
407 中間層
408 第二ポリシリコン
409 セルプレート
512 ベース層
513 エミッタ層
514a、514b トレンチ
515 第一酸化膜
516 シリコン窒化膜
517 第二酸化膜
518、520 ゲート絶縁膜
519 ゲート
521 ゲート電極配線
511, 101, 201, 301, 401
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