JP5507060B2 - Manufacturing method of vertical trench MOSFET - Google Patents
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Description
本発明は、縦型トレンチMOSFETの製造方法に係り、特に自己整合ソース領域を形成する前後の改善に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a vertical trench MOSFET, and more particularly to improvements before and after forming a self-aligned source region.
以下に引用するように非特許文献1には、イオンチャネリングに関する記載がある。
As cited below, Non-Patent
6.3.3 イオンチャネリング
チャネリングは、入射イオンが原子列の間の空間に入り込んだときに起こり始める(非特許文献3)。いったんイオンが原子列の間へ入ってくると、原子列のポテンシャルによりイオンの方向をそろえる力が働き、イオンは原子列の間の隙間(チャネル)の中心に向かって集められる。この場合、イオンは相当の距離にわたって、チャネルに沿った軌道に安定して導かれる。このようなイオンは、チャネルの端での浅い角度での穏やかな衝突により徐々にエネルギーを失い、最終的には散乱によりチャネルの外へ飛び出す。チャネリングしたイオンの侵入深さは、非晶質試料中でのそれよりも数倍大きい。それは、チャネリングしたイオンのエネルギー損失は、チャネリングしないイオンのそれよりも小さいからである。単結晶シリコンへのイオン注入の際に、原子密度の高い方向(たとえば〈763〉方向)にイオンを入射させてチャネリングを避けるようにすれば、チャネリング効果を最小化することはできるが、完全に除去することはできない(本願添付図12参照)。
上記のように、チャネリングを避ける工夫をして単結晶中にイオン注入しても、得られる分布には特徴的な原子分布のテール[注意深く測定した2次イオン質量分析(SIMS,第12章参照)により観測される]や、キャリア分布のテール(電気的測定により観測される)が現れる。このチャネリングによる分布のテール部は、深さ座標の指数関数exp(−x/λ)とよく一致することが多い。このλの典型的な値は〜0.1μmである。チャネリングを起す臨界入射角が重いイオンほど大きくなるため、分布のテールはホウ素よりもリンイオン注入の場合の方が顕著である。このチャネリングの臨界角はZ1 (1/2)に比例する。〈110〉軸に関しては、50keVのリンイオンではφCrit=5.9度であるが、50keVのホウ素イオンではφCrit=4.8度である。この臨界角(比較的高エネルギー領域での値)は、
6.3.3 Ion channeling Channeling begins to occur when incident ions enter the space between atomic columns (Non-Patent Document 3). Once ions enter between the atomic rows, the force of aligning the direction of the ions works due to the potential of the atomic rows, and the ions are collected toward the center of the gap (channel) between the atomic rows. In this case, the ions are stably guided into the trajectory along the channel over a considerable distance. Such ions gradually lose energy due to gentle collisions at shallow angles at the edge of the channel and eventually jump out of the channel by scattering. The penetration depth of channeled ions is several times greater than that in amorphous samples. This is because the energy loss of channeled ions is less than that of non-channeled ions. Channeling effects can be minimized if ions are injected in the direction of high atomic density (for example, <763> direction) to avoid channeling during single-crystal silicon ion implantation. It cannot be removed (see FIG. 12 attached hereto).
As described above, even if ions are implanted into a single crystal by devising to avoid channeling, the resulting distribution has a characteristic atomic distribution tail [carefully measured secondary ion mass spectrometry (SIMS, see
と表される。ここで、dは原子列の間隔である。
結晶性ターゲットに主軸からずらした入射角で注入したイオンの分布にテールが発生する現象の主な機構は、ターゲット内部でイオンが主軸方向へチャネリングするためと考えられている。(これとは別の機構としては、イオン注入の際の試料温度での格子間拡散によるとする考え方も提案されている。)イオン注入に関する実験は、このテールの発生がチャネリングに基づくものであることを立証している。リンイオンが薄く削ったシリコン層を透過する事実は、シリコン層透過後に計測し得るエネルギーを持ったイオンが存在すること、したがって明らかにチャネリングが起こっていることを示すものである。この実験では、厚さ約0.5μmのシリコン結晶試料に、放射性同位元素のP32をイオン注入している。そして、分布のテール部に対応したイオンは薄く削ったシリコン試料の後方に置いた第2のターゲットに注入させて集めている。この主軸からずらした入射方向でイオン注入した実験結果は、分布のテールを形成する原因がチャネリングによるものであり、格子間拡散によるものでない場合にしか起こり得ない。
It is expressed. Here, d is an interval between atomic rows.
It is considered that the main mechanism of the phenomenon that the tail is generated in the distribution of ions implanted at an incident angle shifted from the main axis to the crystalline target is that ions are channeled in the main axis direction inside the target. (An alternative mechanism has been proposed that is based on interstitial diffusion at the sample temperature during ion implantation.) Experiments related to ion implantation are based on channeling. I have proved that. The fact that phosphorous ions pass through a thinly cut silicon layer indicates that ions with energy that can be measured after passing through the silicon layer are present, and that channeling is clearly occurring. In this experiment, radioisotope P32 is ion-implanted into a silicon crystal sample having a thickness of about 0.5 μm. The ions corresponding to the tail portion of the distribution are collected by being injected into a second target placed behind the thinly cut silicon sample. The experimental results of ion implantation in the incident direction shifted from the principal axis can only occur when the cause of the distribution tail is due to channeling and not due to interstitial diffusion.
深く侵入するチャネリングイオンの実用に供する方法が検討されている。しかし、非常に精密な試料方位の制御が必要であるため、イオン注入分布の制御や再現性の面で大きな困難がある。図(本願添付図13参照)は、リンとホウ素についての、チャネリングイオン注入に必要な入射方向の制御の精密性を示している。ここでは、主軸方向からわずかにずらした種々の入射方向でイオン注入している。そして比較的低い温度(850℃)でアニールした後、C-V法でキャリア濃度分布を測定したものである。この図から入射角を1度変化させると、分布が顕著に変化することがわかる。(非特許文献1引用終わり)
Methods for practical use of channeling ions that penetrate deeply have been studied. However, since very precise control of the sample orientation is necessary, there is a great difficulty in controlling the ion implantation distribution and reproducibility. The figure (see FIG. 13 attached hereto) shows the precision of control of the incident direction required for channeling ion implantation for phosphorus and boron. Here, ions are implanted in various incident directions slightly shifted from the principal axis direction. Then, after annealing at a relatively low temperature (850 ° C.), the carrier concentration distribution was measured by the C-V method. From this figure, it can be seen that the distribution changes remarkably when the incident angle is changed once. (End of Non-Patent
さて、以上のように、イオン注入工程においてチャネリングを避けるために種々の対策が採られるが、〈110〉軸に関しては、50keVのリンイオンではφCrit=5.9度であり、50keVのホウ素イオンではφCrit=4.8度である。上記の理由から、通常、〈100〉ウエハでは、この2つの臨界角よりもやや大きい7〜8度角だけ主軸から傾けて、リンイオンもボロンイオンも注入するという方法がしばしば採られている場合がある。
注入イオンのチャネリングを防止する発明が記載された文献としては、特許文献1〜8がある。
As described above, various measures are taken to avoid channeling in the ion implantation process. Regarding the <110> axis, φCrit = 5.9 degrees for 50 keV phosphorus ions, and φCrit = 4.8 for 50 keV boron ions. Degree. For the above reasons, in general, a <100> wafer often employs a method in which phosphorus ions and boron ions are implanted at an angle of 7 to 8 degrees which is slightly larger than these two critical angles. is there.
例えば特許文献1には、傾斜角7度、20度、40度、60度を用い、シミュレーションにより、チャネリングを極力避けつつ、所望の注入後分布を得るという方法が記載されている。特許文献4には、キャップ酸化膜を通して、イオン注入することによりチャネリングを防止する方法が記載されている。
For example,
特許文献5〜11にあっては、MOSFETのトレンチに斜めのイオン注入を適用する方法が記載されている。
特許文献5には、同文献の図1に記載の縦型トレンチMOSFETを実現するためには、P型ボディー領域(同文献中17)を製造する工程(同文献中図4(d))と、N型低濃度領域(同文献中6)及び高濃度ソース領域(同文献中7)を製造する工程(同文献中図5(b))とで、ボロン及びリンを斜めにイオン注入することが記載されている。
特許文献6にあっては、トレンチの側壁に斜めのイオン注入をするが、半導体ウエハ表面にも斜めのイオン注入を行うか否かについては特に言及されていない。
In
In
特許文献7,8は外国文献の例である。特許文献7は主に構造に関し、特許文献8は主に製法に関し、両文献は同一出願人によるものである。トレンチ側壁に対し45度のイオン注入を2回(あるいは4回)繰返し、自己整合されたL字型のソース領域を形成することが、特許文献7,8に記載の発明の特徴と考えられる。
以上述べたように、斜めのイオン注入はトレンチの側壁に自己整合されたソース領域を形成する上では必要不可欠な技法であることに変りはない。しかし、トレンチの深さに対する幅の比が小さくなるにつれて、入射手前のトレンチ角によって注入時の影(シャドー)の部分が大きくできるために、半導体ウエハ表面に近い部分しか注入できないという欠点があり、従ってその角度には限界がある。すなわち、トレンチが狭くて深い形状になるほど、イオン注入の斜めの角度を小さくせねばならないという事情がある。
加えて、半導体ウエハ表面に注入されるイオンドーズ量は、イオン注入の傾斜角(αとして)の正弦の値(sinα)となり、半導体ウエハ表面の濃度が稼げないという問題がある。さらに、半導体基板(ウエハ)を傾けるためには特別の機構が必要となり、従って装置がより高価となることを避けられないという問題もある。
As described above, oblique ion implantation remains an essential technique for forming a self-aligned source region on the trench sidewall. However, as the ratio of the width to the depth of the trench decreases, the shadow angle at the time of implantation can be increased by the trench angle before the incident, so that there is a disadvantage that only the portion close to the semiconductor wafer surface can be implanted, Therefore, the angle has a limit. That is, as the trench becomes narrower and deeper, the oblique angle of ion implantation has to be reduced.
In addition, the ion dose implanted into the surface of the semiconductor wafer has a sine value (sin α) of the inclination angle (as α) of the ion implantation, and there is a problem that the concentration on the surface of the semiconductor wafer cannot be obtained. Furthermore, in order to tilt the semiconductor substrate (wafer), a special mechanism is required. Therefore, there is a problem that it is inevitable that the apparatus becomes more expensive.
一方、特許文献9,10には、斜めのイオン注入ではなく、PSG(リンシリケートガラス)をソース源とし、ここから横方向拡散によって、自己整合されたソース領域を形成する方法の一例が記載される。
しかし、特許文献9,10に記載されるように、PSGをソース源とし拡散処理してソース領域を形成するという方法にも問題はある。高濃度のソース領域形成のためにはPSG中のリン濃度をあげなけれならないが、これには限界があるという問題、またソース領域中に拡散されるN型不純物であるリンの濃度には基本的に拡散温度で支配されている(高濃度時にはより高温となる)という問題、リンの拡散係数が比較的大きいために、微細パターンの形成が求められる場合には不向きな製法であるという問題である。
On the other hand,
However, as described in
ところで、トレンチMOSFETの単位セルが微細化されるほど、ソース電極の引き出しのための領域が問題化してくる。かかる問題を解決する技術が「トレンチコンタクト」と呼ばれる手法であり、特許文献12〜16に開示されている。
本発明者らは、縦型トレンチMOSFETの開発に当たり、図14に示すように傾斜角7度でトレンチ及びトレンチ周囲のメサ頂面mにボロンのイオン注入を1回行った。このとき、トレンチ内の奥側の側壁wfにはイオンビームを遮る影が生じるために、手前の側壁wnと奥側の側壁wfとで注入され、最終的に取り込まれるボロンイオンの数に差が生じてしまう。
その結果、このような1回のイオン注入後、MOSFETのチャネルを完成させると、トレンチ内の手前の側壁wnと奥側の側壁wfとでチャネル濃度とチャネル長さが異なってしまうという問題がわかった。
このような不均衡を生じさせないために、イオン注入を半導体ウエハ表面に対して直角に行えば、イオンチャネリングが避けられないという問題が生じる。
In developing the vertical trench MOSFET, the present inventors performed boron ion implantation once on the trench and the mesa top surface m around the trench as shown in FIG. At this time, since a shadow that blocks the ion beam is generated on the inner side wall wf in the trench, there is a difference in the number of boron ions that are implanted in the front side wall wn and the inner side wall wf and finally taken in. It will occur.
As a result, when the channel of the MOSFET is completed after such one ion implantation, there is a problem that the channel concentration and the channel length are different between the front side wall wn and the back side wall wf in the trench. It was.
In order not to cause such an imbalance, if ion implantation is performed at a right angle to the surface of the semiconductor wafer, there arises a problem that ion channeling cannot be avoided.
本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、トレンチが形成された半導体ウエハにイオン注入を行うにあたり、イオンチャネリングを防止しつつ、再現性及び生産効率良好に理想的な不純物導入領域をトレンチ周りの半導体内に形成することができる縦型トレンチMOSFETの製造方法を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above problems in the prior art, and is ideal for reproducibility and good production efficiency while preventing ion channeling when ion implantation is performed on a semiconductor wafer in which a trench is formed. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a vertical trench MOSFET in which an impurity introduction region can be formed in a semiconductor around a trench.
以上の課題を解決するための請求項1記載の発明は、縦型トレンチMOSFETの製造方法であって、
半導体層の表面から前記トレンチを形成する工程と、
前記トレンチ内にゲートポリシリコンを前記表面より低い位置まで形成する工程と、
前記トレンチ及び前記ゲートポリシリコンが形成された前記半導体層の表面に、イオンチャネリングを避けるためのキャップ酸化膜を好ましくは200Å程度形成する工程と、
前記キャップ酸化膜が形成された前記半導体層の表面に対して直角に又は該直角から前記トレンチの表面開口の長手方向に7度を限度として傾いた角度で第一導電型不純物イオンを注入して前記トレンチに隣接する半導体部分に第一導電型ベース層を形成する第1イオン注入工程と、
前記キャップ酸化膜をそのまま用い、前記第一導電型ベース層が形成された前記半導体層の表面の垂線に対して前記トレンチの表面開口の短手方向に7度の傾斜角を有して第二導電型不純物イオンを注入する第2イオン注入工程と、
前記キャップ酸化膜及び前記傾斜角をそのまま用い、前記半導体層が支持されたウエハを180度水平回転させた上で、前記半導体層の表面に対して第二導電型不純物イオンを注入する第3イオン注入工程とを備え、
前記第2イオン注入工程及び前記第3イオン注入工程により、前記第一導電型ベース層の表層部から前記トレンチの側壁部に連続し、前記第二導電型不純物イオンの前記表面からの拡散深度が前記ゲートポリシリコンの上面より浅く、前記トレンチの側壁から注入された前記第二導電型不純物イオンにより前記表面からの深度が前記拡散深度より深く形成された部分を有した第二導電型のソース領域を、当該深く形成された部分で前記トレンチの側壁に沿って前記ゲートポリシリコンとオーバーラップさせて、前記トレンチの両側に形成する縦型トレンチMOSFETの製造方法である。
The invention according to
Forming the trench from the surface of the semiconductor layer;
Forming gate polysilicon in the trench to a position below the surface;
Forming a cap oxide film on the surface of the semiconductor layer on which the trench and the gate polysilicon are formed, preferably about 200 mm to avoid ion channeling;
First conductivity type impurity ions are implanted at a right angle to the surface of the semiconductor layer on which the cap oxide film is formed or at an angle inclined from the right angle to the longitudinal direction of the surface opening of the trench with a limit of 7 degrees. A first ion implantation step of forming a first conductivity type base layer in a semiconductor portion adjacent to the trench;
The cap oxide film is used as it is and has a tilt angle of 7 degrees in the short direction of the surface opening of the trench with respect to the normal of the surface of the semiconductor layer on which the first conductivity type base layer is formed. A second ion implantation step of implanting conductive impurity ions;
Using the cap oxide film and the tilt angle as they are, the wafer supporting the semiconductor layer is horizontally rotated by 180 degrees, and then third ions for implanting second conductivity type impurity ions into the surface of the semiconductor layer. An injection process,
Through the second ion implantation step and the third ion implantation step, the diffusion depth of the second conductivity type impurity ions from the surface continues from the surface layer portion of the first conductivity type base layer to the sidewall of the trench. A second conductivity type source region having a portion shallower than the upper surface of the gate polysilicon and having a portion formed deeper than the diffusion depth by the second conductivity type impurity ions implanted from the sidewall of the trench. Is formed on both sides of the trench by overlapping the gate polysilicon along the side wall of the trench at the deeply formed portion .
本発明によれば、ベース層を形成するためのイオン注入にあっては、キャップ酸化膜によってイオンチャネリングを抑えつつ、トレンチの両側壁部の不純物濃度のバラツキを抑えて再現性良好にベース層を形成することができるという効果がある。
さらに本発明によれば、ソース領域を形成するためのイオン注入にあっては、キャップ酸化膜をそのまま用いて効率的であるとともに、半導体層を支持したウエハを180度水平回転させるだけで、半導体層の表面の垂線に対して±7度のイオン注入を1回ずつ実施し、生産効率良好に実施することができるという効果がある。
According to the present invention, in ion implantation for forming the base layer, the cap oxide film suppresses ion channeling, and suppresses variations in impurity concentration on both side walls of the trench, thereby improving the reproducibility of the base layer. There is an effect that it can be formed.
Furthermore, according to the present invention, in ion implantation for forming a source region, it is efficient to use a cap oxide film as it is, and a semiconductor supporting a semiconductor layer is simply rotated 180 degrees horizontally. There is an effect that ± 7 degrees of ion implantation is performed once with respect to the perpendicular to the surface of the layer, and the production efficiency can be improved.
以下に本発明の一実施形態に係る縦型トレンチMOSFETの製造方法につき説明する。なお、説明の便宜上工程1〜12に分けて説明する。
A method for manufacturing a vertical trench MOSFET according to an embodiment of the present invention will be described below. For convenience of explanation, the
〔工程1〕まず、所望の仕様のN型半導体基板1上に所望の仕様の結晶軸が<100>であるN型半導体層2をエピタキシャル成長させたシリコン積層基板(ウエハ)を得る。そして、半導体層2の表面の全面を酸化させてできた酸化膜の一部を開口して、P型不純物(ボロン)を導入することにより、Pウェル3、ガードリング4を形成する。活性領域となる部分の酸化膜をエッチングにより開口し、図1(a)に示す構成を得る。この構成において、酸化膜5の膜厚は、耐圧維持領域上に形成されるフィールド酸化膜となるため、5,000〜7,000(Å)と、比較的厚く形成する。
[Step 1] First, a silicon laminated substrate (wafer) is obtained by epitaxially growing an N-
〔工程2〕次に、再び表面を酸化させ、活性領域上に比較的薄めの酸化膜6を形成する(図1(b))。酸化膜6の膜厚は、3,000(Å)もあれば足りる。活性領域には大きな電界強度はかからず、不必要に厚いと加工精度の低下を招くからである。
[Step 2] Next, the surface is oxidized again to form a relatively
〔工程3〕次に、酸化膜6の一部を開口してこれを酸化膜マスク7としてエッチングを行って、トレンチ8を形成する(図1(c))。トレンチ8,8,8,・・・は、図6に示すように、同方向に延びる長尺の直線状に形成される。
[Step 3] Next, a part of the
〔工程4〕次に、工程3のエッチング時に荒らされたトレンチ8の内面に、厚さ約1,000(Å)の犠牲酸化膜9を形成し、これをウエットエッチングすることによりトレンチ8の内面を平滑化する(図2(a))。このウエットエッチングにより、トレンチ8の底部コーナーも丸められる。続いて、ゲート酸化膜形成のために、厚さ約800(Å)でゲート酸化を行う。
[Step 4] Next, a sacrificial oxide film 9 having a thickness of about 1,000 (Å) is formed on the inner surface of the
〔工程5〕次に、表面全体にCVD法により厚さ約3,000〜5,000(Å)ポリシリコンを堆積し、堆積したポリシリコンにリンを熱拡散させ、不純物導入されたポリシリコン層10を得る。この時、リン拡散時の熱処理によりポリシリコン層10の表面に酸化膜11が形成される(図2(b))。
[Step 5] Next, polysilicon having a thickness of about 3,000 to 5,000 (Å) is deposited on the entire surface by CVD, and phosphorus is thermally diffused in the deposited polysilicon to obtain a
〔工程6〕次に、周知のフォトリソグラフィーによるパターニング処理により酸化膜11の一部を酸化膜マスク12として残してポリシリコン層10をエッチングする。このとき、表面上では、酸化膜マスク12によってポリシリコン層13が残り、トレンチ8内では、表面から0.3(μm)窪んだ深さまでエッチバックされポリシリコン層14が残る。この時のポリシリコン層10のエッチングにより露出した活性領域の酸化膜(図2(a)における7及び9の一部)をエッチングにより除去する(図2(c))。ポリシリコン層14は以下の工程を経てポリシリコン・ゲート電極となる。
[Step 6] Next, the
〔工程7〕次に、200(Å)のキャップ酸化膜15を熱酸化により形成した上で、表面に対して直角)にボロンをイオン注入してPベース(Pボディ)層16を形成する。但し、表面に対して直角の角度からトレンチ8の表面開口の長手方向(図3において図面に垂直な方向)に7度を限度として傾いた角度でボロンをイオン注入してもよい。周知のように、このキャップ酸化膜15を介してイオン注入することにより、直角のイオン注入であってもイオンチャンリングを抑えることができるとともに、連続するイオン注入の衝撃で外部にボロンが叩き戻されることを抑えることができる。イオン注入の条件としては、例えば、2×1013ドーズ(1/(cm)2)で70keVである。このイオン注入に続き、引き伸ばし拡散のための熱処理を行う。その処理条件を設定して、例えば、処理後に、Pベース層16を、最高不純物濃度が2×1017(1/(cm)3)で、接合深さが1.4(μm)のものとする(図3(a))。
[Step 7] Next, after forming a
ここで、耐圧構造に関して説明する。
以上の構造においては、Pウェル3による主接合とガードリング4が、Pベース層16に比べて、PN接合の深さが深いので、周知のように逆電圧印加時の耐圧は、Pウェル3による主接合とガードリング4とによって支えられる。すなわち、図3(a)に示すデバイス領域において、逆電圧印加時に電界強度が高くなる部分の大半は、Pウェル3とガードリング4が形成された領域である。その内側にあるセル領域での電界強度分布は、トレンチ8及びPベース層16の凹凸に沿った分布となるが、トレンチ8の底部コーナーを丸めているので、電界緩和が実現される。そのため、Pベース層16を耐圧向上のために、トレンチ8より深くする必要なない。
もちろん、Pベース層16を他の必要に応じてトレンチ8より深くすることは可能である。工程7では、ボロンのイオン注入を表面に直角に行っているので、トレンチ8の両側壁にボロンが均等に注入されるるので、その後の引き伸ばし拡散の熱処理温度や時間をより大きく設定することで、より深いPベース層16を得ることができる。
Here, the breakdown voltage structure will be described.
In the above structure, the main junction by the P well 3 and the
Of course, it is possible to make the
〔工程8〕次に、デバイス縁部の酸化膜を除去してチャネルストップ領域18を形成するための酸化膜マスク開口を形成する。続いて、ソース領域17及びチャネルストップ領域18を形成するためのイオン注入を行う。この時、上記工程7で形成されボロン注入時に用いられたキャップ酸化膜15を本イオン注入においてもそのまま、すなわち、200(Å)のまま用い、キャップ酸化膜15を介して砒素(As)をイオン注入する。このイオン注入の傾斜角を半導体基板1表面の垂線に対してトレンチ8の表面開口の短手方向(図3において左右方向)に7度として1回のイオン注入を行ったあと、半導体基板を180度、水平回転させて2回目のイオン注入を行う。これにより±7度のイオン注入を1回ずつ実施する。砒素(As)イオンの注入条件としては、例えば、1.0×1016ドーズ(1/(cm)2)で70keVである。以上によりN型領域であるソース領域17及びチャネルストップ領域18が形成される(図3(b))
[Step 8] Next, an oxide film mask opening for forming the
〔工程9〕次に、表面全体にBPSG(リン硼珪酸ガラス/ボロン・フォスフォ・シリケート・ガラス)組成の層間絶縁膜19を常圧CVD法で堆積形成し、アニール後、層間絶縁膜19に第2トレンチを形成するための開口を形成する(図4(a))。この開口をエッチングする際には、キャップ酸化膜15がエッチングストッパーとして作用する。
[Step 9] Next, an
〔工程10〕次に、Siエッチャーを用いて第2トレンチ20をエッチング形成し、ソース領域17を貫き、第2トレンチ20をPベース層16まで到達させる。続いて、ボロンをイオン注入して第2トレンチ20の底部周りのPベース層16内領域に、高濃度Pベース層21を形成する(図4(b))。この高濃度Pベース層21は、Pベース層16へのオーミックコンタクト性を向上することと、寄生npnバイポーラトランジスタの増幅率を下げることを目的とするものである。なお、第2トレンチ20はトレンチ8に比較して浅くされる。
[Step 10] Next, the
〔工程11〕次に、コンタクトホールを形成した上で、スパッタリンングにより金属層22を蒸着する(図5(a))。コンタクトホールは、セル領域と、ゲート引き回しのためのポリシリコン層13上と、Pウェル3と、ガードリング4と、チャネルストップ領域18とにそれぞれ設ける。金属層22は、バリアメタルと、電極金属であり、バリアメタルとしてはチタン(Ti)が、電極金属としてはアルミニウム(Al)が用いられ、先行してバリアメタルが、続いて電極金属がスパッタ蒸着される。チタン(Ti)の膜厚を2.000(Å)、アルミニウム(Al)の膜厚を5.0(μm)とする。
[Step 11] Next, after forming contact holes, a
〔工程12〕次に、金属層22を周知のフォトリソグラフィ・エッチング技術でパターニングし、電極パターン22a,22b,22c,22dを形成する(図5(b),図6)。さらに、半導体基板1の裏面にドレイン電極23を形成する(図5(b))。ドレイン電極23の形成にあたっては、まず、半導体基板1の裏面を研削し、半導体基板1を要求特性に応じた厚さにまで薄くし、その上で、例えば〈Ti−Ni−Au〉系の複合金属膜を研削された半導体基板1の裏面にスパッタ蒸着してドレイン電極23を形成する。
[Step 12] Next, the
その後、ウエハ表面に図示しない最終保護膜を形成し、ボンディングパッド形成のためのパターニングを施し、全てのウエハ工程を終了する。 Thereafter, a final protective film (not shown) is formed on the wafer surface, patterning for forming bonding pads is performed, and all wafer processes are completed.
図6には、本実施形態の縦型トレンチMOSFETの半身平面図を示した。図6に示すように、ソース電極22a、ゲート電極22b及びその引き回し線22b−1、ガードリング4に接続するガードリング電極22c、並びにチャネルストップ領域18に接続する等電位リング電極22dの各アルミ電極パターンが表面に形成されている。
図6に示す黒塗り部分は、トレンチ8、すなわち、セルの形状及び配置を示している。
本実施形態の縦型トレンチMOSFETチップによれば、活性領域の一部のチップ中央上部にゲート電極パッド22eが配置される。このゲート電極パッド22eがチップ中央に縦方向に延在して領域を2分するように配置されている。残りの領域は主として、多数の線形状の単位セルを含むソース領域である。活性領域の周辺部には、巧妙に入り組んだ形で、ゲート電極22b及びその引き回し線22b−1、ガードリング電極22c、並びに等電位リング電極22dが配置されている。
FIG. 6 shows a half plan view of the vertical trench MOSFET of this embodiment. As shown in FIG. 6, each aluminum electrode of the
A black portion shown in FIG. 6 indicates the shape and arrangement of the
According to the vertical trench MOSFET chip of this embodiment, the
以上の本実施形態の縦型トレンチMOSFETの製造方法によれは、以下の(1)(2)の作用がある。
(1)キャップ酸化膜15を200(Å)程度の厚みに形成した後、ウエハ表面に対して直角にボロン・イオンを注入するので、キャップ酸化膜15によってボロン・イオンのチャネリングが抑えられるとともに、トレンチ8の両側壁部に不純物濃度のバラツキを抑えられる。
(2)また、N+ソース領域を形成するためのイオン注入にあっては、キャップ酸化膜15をそのまま用い、半導体基板1表面の垂線に対して±7度のイオン注入を1回ずつ実施する。この処理により、例えば、平面部接合深度(B)=0.18(μm)、側壁部接合深度(A)=0.05(μm)、B/A比=0.28のソース領域構造が得られる。なお、この平面部接合深度(B)=0.18(μm)の値は、トレンチ8の窪みの深さ以下であり、トレンチ・コンタクトの構想を以ってしても十分なソース・コンタクトが得られる値である。また、側壁部接合深度(A)=0.05(μm)の値は、ゲート−ソース間の確実なオーバーラップを保証するとともに、ポリシリコン層14から露出したトレンチ8,8間のメサ部全体に十分なソース領域を形成するものである。
According to the manufacturing method of the vertical trench MOSFET of the present embodiment described above, there are the following actions (1) and (2).
(1) After the
(2) Further, in the ion implantation for forming the N + source region, the
以上の本実施形態は、近年の中耐圧(100V系)トレンチゲート型MOSFETに課せられた「厳しい低Ron特性や高周波SW速度上の要求」に十分に見合うようなデバイスを製造するための新規な方法に相応する。本製法により、上記Pベース層を形成するためのイオン注入工程と、上記N+ソース領域を形成するためのイオン注入工程において、上記(1)(2)の作用に加え、トレンチコンタクト構造も取り入れたので、2(μm)程度のセルピッチを有する近年の中耐圧(100V系)トレンチゲート型MOSFETの量産を、再現性良好に継続するにあたって、所望のデバイス特性を、安定的、かつ、最小の工程数で実現できるという効果、特殊な斜めイオン注入(ビーム傾斜角30〜60度)を実行できる装置を用いることなく、通常の汎用仕様の装置を以ってデバイスを製造できるという効果がある。 The present embodiment described above is a novel device for manufacturing a device that sufficiently meets the "strict requirements for low Ron characteristics and high-frequency SW speed" imposed on recent medium voltage (100V) trench gate type MOSFETs. It corresponds to the method. In addition to the actions (1) and (2) above, the trench contact structure is also incorporated in the ion implantation process for forming the P base layer and the ion implantation process for forming the N + source region by this manufacturing method. Therefore, in order to continue mass production of a recent medium-voltage (100V) trench gate type MOSFET having a cell pitch of about 2 (μm) with good reproducibility, the desired device characteristics are stable and the minimum number of processes. There is an effect that the device can be manufactured using a general-purpose specification apparatus without using an apparatus capable of executing special oblique ion implantation (beam inclination angle of 30 to 60 degrees).
以下に、上記工程8のイオン注入の的確な条件を見出すためのシミュレーションを開示する。
1.シミュレーション条件
トレンチ8の幅を0.5(μm)、トレンチ8の深さを1.7(μm)とし、キャップ酸化膜15の膜厚を0,100,200,500(Å)の4種と設定した。シリコン表面からポリシリコン層14の上部までの深さを0.3(μm)と設定した。半導体基板1は、不純物をリン(N型)とし、抵抗率を1.6(Ω・cm)と設定した。Pベース層16の最高不純物濃度を4×1017(1/(cm)3)とし、Pベース層16の接合深さを1.4(μm)と設定した。注入条件としては、イオン種を砒素(As)とし、注入角度を表面の垂線に対して±7度の2度注入とし、ドーズ量を2回とも1.0×1016(1/(cm)2)とし、砒素(As)の注入加速エネルギーを30,50,70,120(keV)の4種と設定した。
以上の条件によりN+ソース領域17がどのように仕上がるか予測計算してみた。
Hereinafter, a simulation for finding an accurate condition of the ion implantation in the
1. Simulation conditions The width of the
The prediction calculation of how the N +
2.シミュレーション結果
図7にシミュレーション結果のデバイス断面画像を掲載する。図8にシミュレーション条件及びこれに対応する結果の値を記載した表を示した。
2. Simulation Result FIG. 7 shows a device cross-sectional image of the simulation result. FIG. 8 shows a table in which simulation conditions and corresponding values of results are described.
キャップ酸化膜15の膜厚が厚くなれば厚くなるほど、平面(メサ頂面)部及びトレンチ側壁部への砒素(As)イオンの注入量が減るので、平面部(接合)深度B及び側壁部(接合)深度Aがともに激減する。また、B/A比もキャップ酸化膜15の膜厚が厚くなるほど激減する。
加速度エネルギーが大きいほど、平面(メサ頂面)部及びトレンチ側壁部への砒素(As)イオンの注入量が増し、平面部(接合)深度B及び側壁部(接合)深度Aがともに増えるが、B/A比の減る度合いは減る傾向にある。
図8の表に示した値に基づき、図9に平面部(接合)深度Bの変化グラフ、図10に側壁部(接合)深度Aの変化グラフ、図11にB/A比の変化グラフを示した。
As the thickness of the
As the acceleration energy increases, the amount of arsenic (As) ions implanted into the flat surface (mesa top surface) and the trench side wall increases, and both the flat surface (junction) depth B and the side wall (junction) depth A increase. The degree of decrease in the B / A ratio tends to decrease.
Based on the values shown in the table of FIG. 8, FIG. 9 shows a change graph of the plane part (joint) depth B, FIG. 10 shows a change graph of the side wall part (joint) depth A, and FIG. 11 shows a change graph of the B / A ratio. Indicated.
以上の結果の中から、平面部(接合)深度Bがシリコン表面からポリシリコン層14の上部までの深さを0.3(μm)より薄く、側壁部(接合)深度Aが比較的深く得られ、確実なゲート−ソース間のオーバーラップが保証されている条件を選定すると、加速エネルギーが70(keV)で、キャップ酸化膜15の膜厚が200(Å)の条件である。かかる条件であれば、平面部(接合)深度B=0.18(μm)、側壁部(接合)深度A=0.05(μm)、B/A比=0.28の構造が得られる。
From the above results, the plane part (junction) depth B is less than 0.3 (μm) from the silicon surface to the upper part of the
1 半導体基板
2 半導体層
3 Pウェル
4 ガードリング
8 トレンチ
10 ポリシリコン層
13 ポリシリコン層
14 ポリシリコン層(ゲートポリシリコン)
15 キャップ酸化膜
16 Pベース層
17 ソース領域
18 チャネルストップ領域
19 層間絶縁膜
20 第2トレンチ(コンタクト・トレンチ)
21 高濃度Pベース層
22a ソース電極
22b ゲート電極
22c ガードリング電極
22d 等電位リング電極
22e ゲート電極パッド
22 金属層
23 ドレイン電極
DESCRIPTION OF
15 Cap oxide film 16
21 High-concentration
Claims (1)
半導体層の表面から前記トレンチを形成する工程と、
前記トレンチ内にゲートポリシリコンを前記表面より低い位置まで形成する工程と、
前記トレンチ及び前記ゲートポリシリコンが形成された前記半導体層の表面に、イオンチャネリングを避けるためのキャップ酸化膜を形成する工程と、
前記キャップ酸化膜が形成された前記半導体層の表面に対して直角に又は該直角から前記トレンチの表面開口の長手方向に7度を限度として傾いた角度で第一導電型不純物イオンを注入して前記トレンチに隣接する半導体部分に第一導電型ベース層を形成する第1イオン注入工程と、
前記キャップ酸化膜をそのまま用い、前記第一導電型ベース層が形成された前記半導体層の表面の垂線に対して前記トレンチの表面開口の短手方向に7度の傾斜角を有して第二導電型不純物イオンを注入する第2イオン注入工程と、
前記キャップ酸化膜及び前記傾斜角をそのまま用い、前記半導体層が支持されたウエハを180度水平回転させた上で、前記半導体層の表面に対して第二導電型不純物イオンを注入する第3イオン注入工程とを備え、
前記第2イオン注入工程及び前記第3イオン注入工程により、前記第一導電型ベース層の表層部から前記トレンチの側壁部に連続し、前記第二導電型不純物イオンの前記表面からの拡散深度が前記ゲートポリシリコンの上面より浅く、前記トレンチの側壁から注入された前記第二導電型不純物イオンにより前記表面からの深度が前記拡散深度より深く形成された部分を有した第二導電型のソース領域を、当該深く形成された部分で前記トレンチの側壁に沿って前記ゲートポリシリコンとオーバーラップさせて、前記トレンチの両側に形成する縦型トレンチMOSFETの製造方法。 A method for manufacturing a vertical trench MOSFET, comprising:
Forming the trench from the surface of the semiconductor layer;
Forming gate polysilicon in the trench to a position below the surface;
Forming a cap oxide film for avoiding ion channeling on the surface of the semiconductor layer in which the trench and the gate polysilicon are formed;
First conductivity type impurity ions are implanted at a right angle to the surface of the semiconductor layer on which the cap oxide film is formed or at an angle inclined from the right angle to the longitudinal direction of the surface opening of the trench with a limit of 7 degrees. A first ion implantation step of forming a first conductivity type base layer in a semiconductor portion adjacent to the trench;
The cap oxide film is used as it is and has a tilt angle of 7 degrees in the short direction of the surface opening of the trench with respect to the normal of the surface of the semiconductor layer on which the first conductivity type base layer is formed. A second ion implantation step of implanting conductive impurity ions;
Using the cap oxide film and the tilt angle as they are, the wafer supporting the semiconductor layer is horizontally rotated by 180 degrees, and then third ions for implanting second conductivity type impurity ions into the surface of the semiconductor layer. An injection process,
Through the second ion implantation step and the third ion implantation step, the diffusion depth of the second conductivity type impurity ions from the surface continues from the surface layer portion of the first conductivity type base layer to the sidewall of the trench. A second conductivity type source region having a portion shallower than the upper surface of the gate polysilicon and having a portion formed deeper than the diffusion depth by the second conductivity type impurity ions implanted from the sidewall of the trench. Is formed on both sides of the trench by overlapping the gate polysilicon along the side wall of the trench at the deeply formed portion .
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