JP4735414B2 - Insulated gate semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は,トレンチゲート構造を有する絶縁ゲート型半導体装置に関する。さらに詳細には,ドリフト領域中にドリフト領域と異なる導電型の拡散層を設けることによってドリフト層にかかる電界を緩和する絶縁ゲート型半導体装置に関するものである。 The present invention relates to an insulated gate semiconductor device having a trench gate structure. More specifically, the present invention relates to an insulated gate semiconductor device that relaxes an electric field applied to a drift layer by providing a diffusion layer having a conductivity type different from that of the drift region in the drift region.
従来から,パワーデバイス用の絶縁ゲート型半導体装置として,トレンチゲート構造を有するトレンチゲート型半導体装置が提案されている。このトレンチゲート型半導体装置では,一般的に高耐圧化と低オン抵抗化とがトレードオフの関係にある。 Conventionally, a trench gate type semiconductor device having a trench gate structure has been proposed as an insulated gate type semiconductor device for power devices. In this trench gate type semiconductor device, a high breakdown voltage and a low on-resistance are generally in a trade-off relationship.
この問題に着目したトレンチゲート型半導体装置として,本願出願人は図6に示すような絶縁ゲート型半導体装置を提案している(特許文献1)。この絶縁ゲート型半導体装置900は,N+ ソース領域31と,N+ ドレイン領域11と,P- ボディ領域41と,N- ドリフト領域12とが設けられている。また,半導体基板の上面側の一部を掘り込むことによりP- ボディ領域41を貫通するゲートトレンチ21が形成されている。また,ゲートトレンチ21の底部には,絶縁物の堆積による絶縁層23が形成されている。さらに,絶縁層23上には,ゲート電極22が形成されている。そして,ゲート電極22は,ゲートトレンチ21の壁面に形成されているゲート絶縁膜24を介して,N+ ソース領域31およびP- ボディ領域41と対面している。さらに,N- ドリフト領域12内には,フローティング状態のP拡散領域51が形成されている。そして,ゲートトレンチ21の下端は,P拡散領域51内に位置している。
As a trench gate type semiconductor device paying attention to this problem, the present applicant has proposed an insulated gate type semiconductor device as shown in FIG. 6 (Patent Document 1). This insulated
この絶縁ゲート型半導体装置900は,N- ドリフト領域12内にフローティング状態のP拡散領域51が設けられている(以下,このような構造を「フローティング構造」とする)ことにより,次のような特性を有する。
This insulated
この絶縁ゲート型半導体装置900では,ゲート電圧のオフ時に,N- ドリフト領域12とP- ボディ領域41との間のPN接合箇所から空乏層が広がる。そして,その空乏層がP拡散領域51にまで到達することで,P拡散領域51がパンチスルー状態となって電位が固定される。さらに,P拡散領域51とのPN接合箇所からも空乏層が広がるため,P- ボディ領域41との間のPN接合箇所とは別に,P拡散領域51とのPN接合箇所も電界強度のピークが形成される。すなわち,電界強度のピークを2箇所に形成でき,最大ピーク値を低減することができる。従って,高耐圧化が図られる。また,高耐圧であることから,N- ドリフト領域12の不純物濃度を上げて低オン抵抗化を図ることができる。
In this insulated
なお,特許文献1のように電界強度のピークを2箇所に形成して電界集中を緩和する構造とは異なるが,例えば特許文献2にゲート酸化膜よりも膜厚が厚い酸化膜をトレンチの底部に形成することにより,トレンチの底部の電界集中を緩和する技術が開示されている。また,フローティング構造とは異なるが,例えば特許文献3にゲート絶縁膜の下部の厚さを徐々に厚くすることでMOSFETの性能劣化を抑制する技術が開示されている。
しかしながら,前記したトレンチゲート構造の絶縁ゲート型半導体装置には,次のような問題があった。すなわち,トレンチゲート構造の絶縁ゲート型半導体装置900では,ゲート電極22が深さ方向に対して急激に終端する形状になっている。そのため,ゲート電極22の底部近傍では,等電位線の間隔が狭く,局所的な電界集中が生じる。よって,本来,2箇所の電界強度のピーク位置(図7のX1,X2)に合わせた耐圧となるはずであるが,ゲート電極22の底部近傍の部位(図7のY)が耐圧を決定することとなり,設計耐圧が得られない。
However, the above-described insulated gate semiconductor device having the trench gate structure has the following problems. In other words, in the insulated
また,ウェットエッチングのような等方的なエッチングを利用して,底部に丸みを有するゲート電極22を形成することが考えられる。しかし,ウェットエッチングを行うと次のような問題がある。すなわち,通常,ゲート電極22下の絶縁層23の中心部分は,両側壁部から堆積した絶縁膜を張り合わせてなる部分であり,シームやボイドが生じている。そのため,ウェットエッチングを行うと,シーム等が発生している部分はエッチングレートが早いことから,絶縁層23の中央部分にくさび状の溝が形成される。そして,くさび状の溝内にゲート材が進入することで,ゲート電圧のスイッチオフ時における空乏層の伸び方が設計と異なってしまう。その結果,所望の電界分布が形成されず,耐圧の低下を招いてしまう。また,このくさび状の溝の形状には再現性がないため,安定した形状のゲート電極22を形成することが困難となる。
It is also conceivable to form the
また,特許文献2にはゲートトレンチおよびゲート電極の底部に丸みを有する角部が開示されているが,具体的にゲートトレンチの底部の角部に丸みを設ける方法が開示されていない。そのため,実際には,絶縁ゲート型半導体装置900と同様に急激に終端する形状となるか,あるいは複雑な製造工程が必要となると考えられる。
Further, Patent Document 2 discloses a rounded corner at the bottom of the gate trench and the gate electrode, but does not specifically disclose a method of rounding the corner at the bottom of the gate trench. Therefore, in reality, it is considered that the shape ends rapidly like the insulated
また,特許文献3には,ゲートトレンチの壁面上および底面上に酸化膜を形成し,さらにゲートトレンチの側壁の酸化膜上に窒化膜を形成し,その状態で熱酸化することで,ゲートトレンチの底部の酸化膜の膜厚を側壁部の膜厚よりも厚くすることが開示されている。しかしながら,この方法では,ゲートトレンチの底部の酸化膜の膜厚が均等に厚くなり,ゲート電極が深さ方向に対して急激に終端する形状となることには変わりない。よって,設計耐圧が得られない。 Further, in Patent Document 3, an oxide film is formed on the wall surface and the bottom surface of the gate trench, a nitride film is formed on the oxide film on the side wall of the gate trench, and thermal oxidation is performed in that state. It is disclosed that the thickness of the oxide film at the bottom of the substrate is thicker than the thickness of the sidewall. However, in this method, the thickness of the oxide film at the bottom of the gate trench is uniformly increased, and the gate electrode does not change into a shape that terminates rapidly in the depth direction. Therefore, the design withstand voltage cannot be obtained.
また,ゲートトレンチの全体形状をテーパ状にすることでゲート電極の急激な終端を回避することも考えられるが,P拡散領域51を形成する際のイオン注入で,トレンチの底部の他に側壁部にも不純物が打ち込まれてしまう。そのため,フローティング構造の半導体装置を製造する上で,全体をテーパ状にすることは好ましくない。
In addition, it is conceivable to avoid abrupt termination of the gate electrode by making the entire shape of the gate trench into a tapered shape. However, in the ion implantation for forming the
本発明は,前記した従来のトレンチゲート構造の絶縁ゲート型半導体装置が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは,ゲート電極の下端近傍の局所的な電界集中を回避した絶縁ゲート型半導体装置を提供することにある。 The present invention has been made to solve the problems of the above-described conventional insulated gate semiconductor device having a trench gate structure. That is, the problem is to provide an insulated gate semiconductor device that avoids local electric field concentration near the lower end of the gate electrode.
この課題の解決を目的としてなされた絶縁ゲート型半導体装置は,半導体基板内の上面側に位置し第1導電型半導体であるボディ領域と,ボディ領域の下面と接し第2導電型半導体であるドリフト領域と,半導体基板の上面からボディ領域を貫通するトレンチ部とを有する絶縁ゲート型半導体装置であって,トレンチ部の底上に位置し,絶縁物にて構成される絶縁層と,トレンチ部内であって絶縁層上に位置し,下面がボディ領域の下面よりも深い位置に位置するゲート電極層と,ボディ領域とゲート電極層との間に位置するゲート絶縁膜と,ゲート絶縁膜の下端と,絶縁層の上面の端部と,ゲート電極層の下面の角部と接し,トレンチ部の幅方向の膜厚がゲート絶縁膜の膜厚よりも厚い拡張絶縁領域とを有し,トレンチ部の側壁は,拡張絶縁領域の外形に沿ってトレンチ部の外側に膨らんだ形状をなし,ゲート電極層の下面の両角部は,拡張絶縁領域と接するとともに拡張絶縁領域の外形に沿って内側に窪む形状をなし,トレンチ部内のうち,ゲート電極層よりも下側は,絶縁層によって充填されていることを特徴としている。 An insulated gate semiconductor device for solving this problem includes a body region which is a first conductivity type semiconductor located on the upper surface side in a semiconductor substrate, and a drift which is a second conductivity type semiconductor in contact with the lower surface of the body region. An insulated gate semiconductor device having a region and a trench portion penetrating the body region from the upper surface of the semiconductor substrate, wherein the insulating layer is located on the bottom of the trench portion and is made of an insulator, A gate electrode layer positioned on the insulating layer and having a lower surface deeper than the lower surface of the body region, a gate insulating film positioned between the body region and the gate electrode layer, a lower end of the gate insulating film, , Having an extended insulating region in contact with the edge of the upper surface of the insulating layer and the corner of the lower surface of the gate electrode layer and having a thickness in the width direction of the trench larger than that of the gate insulating film. Side wall is completely unextended Forms a bulged to the outside of the trench portion along the outer shape of the region, both corner portions of the lower surface of the gate electrode layer, a shape recessed inward along the outer shape of the expanded insulating region with contact with the expanded insulating region, the trench The inside of the portion is characterized by being filled with an insulating layer below the gate electrode layer.
本発明によれば,ゲート電極の下端近傍の局所的な電界集中を回避した絶縁ゲート型半導体装置が実現される。 According to the present invention, an insulated gate semiconductor device that avoids local electric field concentration near the lower end of the gate electrode is realized .
以下,本発明を具体化した実施の形態について,添付図面を参照しつつ詳細に説明する。なお,本実施の形態は,絶縁ゲートへの電圧印加により,ドレイン−ソース間の導通をコントロールするパワーMOSに本発明を適用したものである。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments embodying the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In the present embodiment, the present invention is applied to a power MOS that controls conduction between a drain and a source by applying a voltage to an insulated gate.
実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体装置100(以下,「半導体装置100」とする)は,図1の断面図に示す構造を有している。なお,本明細書においては,出発基板と,出発基板上にエピタキシャル成長により形成した単結晶シリコンの部分とを合わせた全体を半導体基板と呼ぶこととする。
An insulated gate semiconductor device 100 (hereinafter referred to as “
半導体装置100では,半導体基板内における図1中の上面側に,N+ ソース領域31が設けられている。一方,下面側にはN+ ドレイン領域11が設けられている。それらの間には上面側から順に,P- ボディ領域41およびN- ドリフト領域12が設けられている。また,半導体基板の上面側の一部を掘り込むことによりゲートトレンチ21が形成されている。ゲートトレンチ21は,N+ ソース領域31およびP- ボディ領域41を貫通している。
In the
ゲートトレンチ21の底上には,絶縁層23が形成されている。具体的に,本形態の絶縁層23は,2層構造をなしており,ゲートトレンチ21の側壁側から,熱酸化処理によって形成されたシリコン酸化膜231(以下,「熱酸化膜231」とする)と,CVD法によって堆積させたシリコン酸化膜232(以下,「CVD酸化膜232」とする)とが順に積層されている。
An
さらに,絶縁層23上には,ゲート電極22が形成されている。また,ゲート電極22は,ゲートトレンチ21の壁面に形成されているゲート絶縁膜24を介して,半導体基板のN+ ソース領域31およびP- ボディ領域41と対面している。すなわち,ゲート電極22は,ゲート絶縁膜24によりN+ ソース領域31およびP- ボディ領域41から絶縁されている。
Further, a
このような構造を持つ半導体装置100では,ゲート電極22への電圧印加によりP- ボディ領域41にチャネル効果を生じさせ,もってN+ ソース領域31とN+ ドレイン領域11との間の導通をコントロールしている。
In the
また,ゲート絶縁膜24と絶縁層23との間(すなわち,ゲート電極22の下側の角部周辺)には,トレンチの幅方向の膜厚がゲート絶縁膜24の膜厚よりも大きい拡張絶縁領域241が形成されている。この拡張絶縁領域241により,ゲートトレンチ21の側部(すなわち,シリコンと絶縁物領域との界面)は,ゲート電極22の下端付近で拡張絶縁層241の形状に合わせて外側に膨らんだ形状となっている。つまり,局所的に電界集中の生じ易い部位(図7のY)に膜厚が厚い絶縁領域が形成されている。また,ゲート電極22の下側の角部は,拡張絶縁層241の形状に合わせて内側に窪む形状となっている。そのため,ゲート電極22は深さ方向に対して徐々に幅が狭くなる,つまり徐々に終端する形状になっている。
Further, between the
さらに,半導体装置100には,ゲートトレンチ21の底部の周囲に,N- ドリフト領域12に囲まれ,フローティング状態のP拡散領域51が形成されている。P拡散領域51はゲートトレンチ21の底面から不純物を注入することにより形成された領域である。半導体装置100の製造方法についての詳細は後述する。P拡散領域51の断面は,各トレンチの底部を中心とした略円形形状となっている。なお,フローティング構造にて高耐圧化を図るには,ゲート電圧のオフ時の電界強度のピークがP- ボディ領域41とN- ドリフト領域12のPN接合箇所と,P拡散領域51とN- ドリフト領域12のPN接合箇所との2箇所(図7のX1,X2)に形成される位置に埋め込み領域であるP拡散領域51を配置する。さらに好ましくは,両ピーク値が同等となるように配置する。
Further, in the
続いて,半導体装置100の製造プロセスについて,図2,図3,図4を基に説明する。まず,あらかじめ,N+ ドレイン領域11となるN+ 基板上に,N- 型シリコン層をエピタキシャル成長により形成しておく。このN- 型シリコン層(エピタキシャル層)は,N- ドリフト領域12,P- ボディ領域41,N+ ソース領域31,コンタクトP+ 領域32の各領域となる部分である。なお,P- ボディ領域41およびN- ドリフト領域12を合わせた領域(以下,「エピタキシャル層」とする)の厚さは,80V耐圧でおよそ7.0μm(そのうち,P- ボディ領域41の厚さは,およそ1.2μm)である。なお,耐圧に応じて寸法が異なるのは言うまでもない。
Next, a manufacturing process of the
次に,半導体基板の上面側に,イオン注入等によってP- ボディ領域41を形成する。これにより,図2(A)に示すように,基板上面にP- ボディ領域41を有する半導体基板が形成される。 Next, a P − body region 41 is formed on the upper surface side of the semiconductor substrate by ion implantation or the like. Thereby, as shown in FIG. 2A, a semiconductor substrate having a P − body region 41 on the upper surface of the substrate is formed.
次に,半導体基板上にパターンマスク91を形成し,トレンチドライエッチングを行う。このトレンチドライエッチングにより,図2(B)に示すように,N+ ソース領域31およびP- ボディ領域41を貫通するゲートトレンチ21が形成される。なお,ゲートトレンチ21は,その深さが2.3μm〜3.0μmであり,その幅が0.4μm〜0.5μmである。また,トレンチ側壁のテーパ角度は,86.5度〜89.0度である。その後,適当な洗浄処理を行い,さらにケミカルドライエッチング法等の等方性エッチング手法を利用してゲートトレンチ21の壁面を平滑化する。
Next, a
次に,所望の厚さの熱酸化膜(犠牲酸化膜)を形成する。その後,イオン注入により各トレンチの底面から不純物を打ち込む。その後,熱拡散処理を行うことにより,図2(C)に示すように,P拡散領域51が形成される。なお,熱拡散処理は,後述の絶縁層23を形成する際に行ってもよい。その後,犠牲酸化膜およびパターンマスク91を除去し,清浄なシリコン表面を露出させる。
Next, a thermal oxide film (sacrificial oxide film) having a desired thickness is formed. Thereafter, impurities are implanted from the bottom of each trench by ion implantation. Thereafter, by performing a thermal diffusion process, a
次に,熱酸化処理により,図2(D)に示すように,清浄なシリコン表面に薄層の熱酸化膜231を形成する。具体的に熱酸化膜231の成膜条件としては,例えば反応ガスをO2,H2O,あるいはO2 を含む混合ガスとし,酸化温度を800℃〜1100℃とし,20nm〜100nmの膜厚の熱酸化膜を形成する。熱酸化膜231は,後の工程でゲートトレンチ21内に埋め込まれるCVD酸化膜とシリコン界面との安定化を図るため,CVD酸化膜の下地として形成する。なお,本熱酸化工程を省略し,後の犠牲酸化工程における埋め込み酸化膜界面の再酸化により熱酸化膜を形成してもよい。
Next, as shown in FIG. 2D, a thin
次に,CVD(Chemical Vapor Deposition)法により,図2(E)に示すように,熱酸化膜231上にゲートトレンチ21内を充填するCVD酸化膜232を堆積する。CVD酸化膜232としては,例えばSiH4 を原料とし,成膜温度を750℃〜825℃とした減圧CVDによって形成された300nm〜700nmの膜厚のSiO2 膜が該当する。またこの他,TEOS(Tetra-Ethyl-Orso-Silicate)を原料とし,成膜温度を600℃〜700℃とした減圧CVD法によって形成されるSiO2 膜,あるいはオゾンとTEOSとを原料としたCVD法によって形成されるSiO2 膜が該当する。
Next, as shown in FIG. 2E, a
次に,RIE(Reactive Ion Etching)法等の異方性ドライエッチングにより,図3(F)に示すように,熱酸化膜231およびCVD酸化膜232,つまり絶縁層23の一部を除去する。具体的には,ドライエッチングより,絶縁層23の上面がP- ボディ領域41の下面と同等の位置になるまで絶縁層23をエッチバックする。これにより,ゲート電極22を内蔵するためのスペースが確保される。ドライエッチングでは,酸化膜の疎密性やSi−O結合力の強弱に関わらず異方的にエッチングされる。そのため,CVD酸化膜232の張り合わせ面に存在するボイドはエッチバックに影響しない。また,膜種間のエッチング速度差も極めて小さい。よって,絶縁層23は均等にエッチバックされ,その上面は平坦である。
Next, as shown in FIG. 3F, the
次に,特開2005−340552号公報に開示されているように,酸化性雰囲気下でアニール処理を行うことにより,図3(G)に示すように,シリコンの露出面,特にゲートトレンチ21の側壁に酸化膜94を形成する。具体的に酸化膜94の成膜条件としては,例えば反応ガスをO2,H2O,あるいはO2 を含む混合ガスとし,酸化温度を800℃〜1100℃とし,20nm〜100nmの膜厚の犠牲酸化膜を形成する。この酸化アニール処理は,CVD酸化膜232の張り合わせ面におけるシームの解消,シリコン原子の未結合子が酸素と反応することによる化学的結合力の強化等の役割を有する。
Next, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-340552, by performing an annealing process in an oxidizing atmosphere, as shown in FIG. An
次に,ウェットエッチングにより,ゲートトレンチ21の側壁の酸化膜94を除去し,図3(H)に示すように,清浄なシリコン面を露出させる。具体的にエッチバックの条件としては,薬液を希フッ酸あるいはバッファドフッ酸とし,熱酸化膜に対して100nm〜300nmの厚さ分のエッチバックを行う。エッチバック後は,清浄なシリコン表面を得るために適当な洗浄処理を行う。
Next, the
次に,図3(I)に示すように,熱酸化処理またはCVD法による成膜処理あるいはこれらの兼用により,ゲート絶縁膜24を形成する。具体的に熱酸化処理を行う場合には,例えば反応ガスをO2,H2O,あるいはO2 を含む混合ガスとし,酸化温度を800℃〜1100℃とした熱酸化処理によって形成される熱酸化膜が該当する。また,CVD法による酸化膜を形成する場合には,例えばSiH4 を原料とし,成膜温度を750℃〜825℃とした減圧CVDによって形成されたSiO2 膜が該当する。またこの他,TEOSを原料とし,成膜温度を600℃〜700℃とした減圧CVD法によって形成されるSiO2 膜が該当する。本形態のゲート絶縁膜24の膜厚は,50nm〜100nmの範囲内とする。
Next, as shown in FIG. 3I, a
次に,CVD法により,図3(J)に示すように,ゲート酸化膜24上および絶縁層23上に膜厚が10nm〜30nmのCVD窒化膜244を堆積する。CVD窒化膜244としては,例えばSiNを原料とし,成膜温度を700℃〜800℃とした減圧CVDによって形成されたSiN膜が該当する。
Next, as shown in FIG. 3J, a
次に,RIE法等の異方性ドライエッチングにより,図4(K)に示すように,基板表面上および絶縁層23上のCVD窒化膜244を除去する。具体的には,ドライエッチングより,絶縁層23の上面が露出するまでCVD窒化膜244をエッチバックする。異方的にエッチバックすることにより,チャネル領域と対向する部分,すなわちトレンチの側壁上のCVD窒化膜244は残留する。なお,基板表面上の酸化膜は,必ずしも残留させる必要はない。エッチバック後は,適当な洗浄処理を行う。
Next, the
次に,熱酸化処理により,図4(L)に示すように,ゲート絶縁膜24と絶縁層23との間に,ゲート絶縁膜24よりも幅が大きい拡張絶縁領域241を形成する。すなわち,チャネル領域となるトレンチの側壁は,CVD窒化膜244によって保護されているため,酸化膜厚は増大しない。そのため,閾値電圧を増大させる問題は生じない。一方,基板表面や絶縁層23の上面では,CVD窒化膜244が除去されているため,酸素の供給が可能である。しかし,絶縁層23上面の中央部分では基板の厚さ方向に厚い酸化膜が存在するため,ゲートトレンチ21の底部のシリコンは酸化されない。一方,絶縁層23上面の両端部分では,露出面からシリコン部分までの距離が近い。そのため,SiO2 領域が増大する。すなわち,ゲートトレンチ21の側壁をCVD窒化膜244で覆うことで,局所的に電界が集中し易い絶縁層23の上面(ゲート電極22の下面)の両端部付近を強調して酸化する。この拡張絶縁領域244は,絶縁層23の上面の端部近傍のシリコンを集中して酸化するため,端部近傍の絶縁領域をゲートトレンチ21の外側に拡張する。つまり,ゲートトレンチ21の側壁(すなわち,シリコンと絶縁物領域との界面)を,その端部(ゲート絶縁膜24と絶縁層23との繋ぎ目部分)にてゲートトレンチ21の外側に膨らんだ形状にする。また,拡張絶縁領域241は,端部近傍の絶縁領域をゲートトレンチ21の内側にも拡張する。具体的に拡張絶縁領域241の形成条件としては,例えば反応ガスをO2,H2O,あるいはO2 を含む混合ガスとし,酸化温度を800℃〜1100℃とし,トレンチの幅方向の膜厚が50nm〜300nmの拡張絶縁領域241を形成する。
Next, as shown in FIG. 4L, an extended
次に,ウェットエッチングにより,ゲートトレンチ21の側壁のCVD窒化膜244を除去し,図4(M)に示すように,ゲートトレンチ21の側壁にゲート絶縁膜24を露出させる。具体的にエッチバックの条件としては,薬液を熱リン酸としてエッチバックを行う。すなわち,CVD窒化膜244をドライエッチングにてエッチバックする際,残されたCVD窒化膜244に付着物が生じる。そのため,CVD窒化膜244を完全に除去することで,界面を清浄化する。また,CVD窒化膜244を除去することで,ゲート絶縁膜24を薄くすることができる。よって,閾値電圧特性が安定する。
Next, the
次に,図4(N)に示すように,絶縁層23のエッチバックにて確保したスペースに対し,ゲート材22を堆積する。具体的にゲート材22の成膜条件としては,例えば反応ガスをSiH4 を含む混合ガスとし,成膜温度を580℃〜640℃とし,常圧CVD法によって800nm程度の膜厚のポリシリコン膜を形成する。ポリシリコン膜22の下面は,拡張絶縁領域241がスペースの内側に突出した形状になっていることから,ゲートトレンチ21の幅方向の中央部に向かってゆるやかに傾斜する形状をなす。すなわち,ポリシリコン膜22は深さ方向に対してゆるやかに終端する形状になっている。
Next, as shown in FIG. 4N, the
次に,ポリシリコン膜22に対してエッチングを行う。これにより,ゲート電極22が形成される。その後,そのP- ボディ領域41が形成されている部分に,ボロンやリン等のイオン注入およびその後の熱拡散処理によりN+ ソース領域31およびコンタクトP+ 領域32を形成する。なお,ゲートトレンチ21の形成前に,N+ ソース領域31およびコンタクトP+ 領域32をあらかじめ形成しておいてもよい。さらに,半導体基板上に層間絶縁膜等を形成し,最後に,ソース電極,ドレイン電極を形成することにより,図1に示したトレンチゲート型の半導体装置100が作製される。
Next, the
なお,本形態では,ゲート絶縁膜24の保護膜であるCVD窒化膜244を熱リン酸によって除去しているが,そのまま残留させてゲート絶縁膜の一部として利用してもよい。すなわち,ゲート絶縁膜を酸化膜,窒化膜,酸化膜の多層構造としてもよい。CVD窒化膜244を残すことで窒化膜のウェットエッチング工程(図4(M))を省くことができ,製造が簡便になる。
In this embodiment, the
また,本形態では,ゲート電極22下の絶縁層23が熱酸化膜231とCVD酸化膜232との2層構造であるが,単層構造であってもよい。すなわち,ゲートトレンチ21の形成後の,熱酸化膜231の形成のための熱酸化処理(図2(D))を省略してもよい。
In this embodiment, the insulating
また,CVD窒化膜244の一部を除去するドライエッチング工程(図4(K))と,拡張絶縁領域241を形成する熱酸化工程(図4(L))との間に,図5に示すように,酸化膜のウェットエッチング工程(図5(K’))を追加してもよい。酸化膜である絶縁膜23のウェットエッチングを行うことで,絶縁膜23の上面が下方に下がり,絶縁膜23の上面とCVD窒化膜244の下端との間に大きな隙間が生じる。これにより,ゲート電極22の下面の角部周辺のシリコンを酸化し易くなり,より幅広の拡張絶縁領域241を形成することができる。また,拡張絶縁領域241は,絶縁膜23の上面とCVD窒化膜244の下端との隙間から膨張することから,隙間が殆ど無い実施の形態と比較して膨張による応力増大の影響が少ない。
Further, a dry etching process (FIG. 4K) for removing a part of the
以上詳細に説明したように本形態の半導体装置100は,ゲートトレンチ21内に絶縁物を堆積し,その後の絶縁物のエッチバックにより,ゲートトレンチ21内に基板厚さ方向の膜厚が厚い絶縁層23を形成することとしている。絶縁層23は,後の熱酸化工程でゲートトレンチ21の底部近傍のシリコンを酸化させない膜厚を有している。その後,エッチバックによって再開口したゲートトレンチ21の側壁にゲート絶縁膜24(熱酸化膜)を形成し,さらにそのゲート絶縁膜24上に薄膜のCVD窒化膜244を形成することとしている。さらにそのCVD窒化膜244を,異方性ドライエッチングによって除去することとしている。これにより,CVD窒化膜244のうち,ゲート絶縁膜24上に位置するCVD窒化膜244を残したまま絶縁層23上に位置するCVD窒化膜244が除去される。
As described above in detail, in the
その後,CVD窒化膜244がゲート絶縁膜24(すなわち,チャネル領域)を保護した状態で,熱酸化処理を行うこととしている。このとき,ゲートトレンチ21の側壁は,CVD窒化膜244によって酸化が抑制されている。また,ゲートトレンチ21の底部は,膜厚が厚い絶縁層23によって酸化が抑制されている。一方,絶縁層23の上面の端部近傍(CVD窒化膜244の下端近傍)では,露出面とシリコン部分との距離が近く,シリコンが酸化される。つまり,CVD窒化膜244と絶縁層23とにより,絶縁層23の上面の両端部分を強調して酸化することができ,その両端部分でゲート絶縁膜24よりも膜厚が厚い拡張絶縁領域241が形成される。
Thereafter, thermal oxidation is performed with the
この拡張絶縁領域241は,絶縁層23の上面とゲート絶縁膜24の下端との繋ぎ目近傍のシリコンを酸化することによってなる領域であり,絶縁層23およびゲート絶縁膜24と一体の絶縁領域となる。そして,拡張絶縁領域241は,繋ぎ目付近のシリコンを集中して酸化することによってなるため,その繋ぎ目近傍の絶縁領域をゲートトレンチ21の外側に拡張する。つまり,ゲートトレンチ21の側壁(すなわち,シリコンと絶縁物領域との界面)を,その繋ぎ目部分にてトレンチの外側に膨らんだ形状にする。つまり,局所的に電界集中の生じ易い部位(図7のY)に膜厚が厚い酸化膜領域が形成される。これにより,当該部位での絶縁破壊が抑制される。また,拡張絶縁領域241は,繋ぎ目近傍の絶縁領域をゲートトレンチ21の内側にも拡張する。そのため,ゲート電極22の下面の両角部を拡張絶縁領域241の外形に沿って内側に窪む形状とすることができる。これにより,ゲート電極22の底部が深さ方向に対してゆるやかに終端する形状となる。よって,ゲート電極22の下面の角部での局所的な電界集中が緩和される。従って,ゲート電極の下端近傍の局所的な電界集中を回避した絶縁ゲート型半導体装置,およびその絶縁ゲート型半導体装置を高精度でかつ容易に作製することができる製造方法が実現している。
The extended
特に,ゲートトレンチ21の底部からイオン注入することでPフローティング領域51を形成する半導体装置100では,Pフローティング領域51を形成するための深さが深い(アスペクト比が大きい)ゲートトレンチ21と,ゲートトレンチ21の底部からゲート電極22の下端までの間を充填する膜厚が厚い絶縁層23とを備えた構成となる。そのため,このようなフローティング構造を有する半導体装置に本発明を適用することは特に有用である。
In particular, in the
なお,本実施の形態は単なる例示にすぎず,本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に,その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良,変形が可能である。例えば,各半導体領域については,P型とN型とを入れ替えてもよい。また,半導体についても,シリコンに限らず,他の種類の半導体(SiC,GaN,GaAs等)であってもよい。また,実施の形態の絶縁ゲート型半導体装置は,IGBTに対しても適用可能である。 Note that this embodiment is merely an example, and does not limit the present invention. Therefore, the present invention can naturally be improved and modified in various ways without departing from the gist thereof. For example, for each semiconductor region, P-type and N-type may be interchanged. Also, the semiconductor is not limited to silicon, but may be other types of semiconductors (SiC, GaN, GaAs, etc.). The insulated gate semiconductor device of the embodiment can also be applied to an IGBT.
11 N+ ドレイン領域
12 N- ドリフト領域
21 ゲートトレンチ(トレンチ部)
22 ゲート電極(ゲート電極層)
23 絶縁層
24 ゲート絶縁膜
241 拡張絶縁領域
244 CVD窒化膜(酸化保護膜)
31 N+ ソース領域
41 P- ボディ領域
51 P拡散領域
100 絶縁ゲート型半導体装置
11 N + drain region 12 N − drift region 21 Gate trench (trench portion)
22 Gate electrode (gate electrode layer)
23 Insulating
31 N + source region 41 P - body region 51
Claims (2)
前記トレンチ部の底上に位置し,絶縁物にて構成される絶縁層と,
前記トレンチ部内であって前記絶縁層上に位置し,下面が前記ボディ領域の下面よりも深い位置に位置するゲート電極層と,
前記ボディ領域と前記ゲート電極層との間に位置するゲート絶縁膜と,
前記ゲート絶縁膜の下端と,前記絶縁層の上面の端部と,前記ゲート電極層の下面の角部と接し,前記トレンチ部の幅方向の膜厚が前記ゲート絶縁膜の膜厚よりも厚い拡張絶縁領域とを有し,
前記トレンチ部の側壁は,前記拡張絶縁領域の外形に沿って前記トレンチ部の外側に膨らんだ形状をなし,
前記ゲート電極層の下面の両角部は,前記拡張絶縁領域と接するとともに前記拡張絶縁領域の外形に沿って内側に窪む形状をなし,
前記トレンチ部内のうち,前記ゲート電極層よりも下側は,前記絶縁層によって充填されていることを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置。 A body region which is located on the upper surface side of the semiconductor substrate and is a first conductivity type semiconductor, a drift region which is in contact with the lower surface of the body region and is a second conductivity type semiconductor, and a trench which penetrates the body region from the upper surface of the semiconductor substrate In an insulated gate semiconductor device having a portion,
An insulating layer located on the bottom of the trench and made of an insulator;
A gate electrode layer located in the trench and on the insulating layer, the lower surface being located deeper than the lower surface of the body region ;
A gate insulating film located between the body region and the gate electrode layer;
The film thickness in the width direction of the trench portion is larger than the film thickness of the gate insulating film, in contact with the lower end of the gate insulating film, the edge of the upper surface of the insulating layer, and the corner of the lower surface of the gate electrode layer An extended insulation region,
The sidewall of the trench portion has a shape that bulges outside the trench portion along the outer shape of the extended insulating region,
Both corners of the lower surface of the gate electrode layer are in contact with the extended insulating region and are recessed inward along the outer shape of the extended insulating region ,
The insulated gate semiconductor device , wherein a portion of the trench portion below the gate electrode layer is filled with the insulating layer .
前記ドリフト領域に囲まれるとともに第1導電型半導体であるフローティング領域を有し,A floating region surrounded by the drift region and being a first conductivity type semiconductor;
前記トレンチ部は,底部が前記フローティング領域内に位置し,The trench portion has a bottom located in the floating region,
前記フローティング領域と前記ドリフト領域との接合箇所での電界強度が前記ボディ領域と前記ドリフト領域との接合箇所での電界強度と同等となる位置に,前記フローティング領域が配置されていることを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置。The floating region is disposed at a position where the electric field strength at the junction between the floating region and the drift region is equal to the electric field strength at the junction between the body region and the drift region. An insulated gate semiconductor device.
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