JP5533011B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、トレンチコンタクト構造を有するトレンチゲート型MOSFET等に好適な半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device suitable for a trench gate type MOSFET having a trench contact structure.
トレンチゲート構造を有する半導体装置には、トレンチゲート型MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)やトレンチゲート型IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor)がある。 Semiconductor devices having a trench gate structure include a trench gate type MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) and a trench gate type IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
図5は、従来のnチャネル型のトレンチゲート型MOSFETの要部断面図である。
その製造工程を以下に示す。まず、n+ドレイン領域1と高比抵抗のn−ドリフト領域2からなるn型シリコン半導体基板の表面に厚い絶縁膜(酸化膜)3を形成する。次に、開口した絶縁膜3をマスクとして、選択的にp型のウェル領域4を形成する。そして、このウェル領域4の表面からn−ドリフト領域2に達する複数のトレンチ5を形成し、その内部にゲート絶縁膜6を介してゲート電極7を埋め込む。トレンチ5に挟まれたウェル領域4の表面には、n+ソース領域8とそれより深いp+コンタクト領域9を形成し、次いでn+ソース領域8とp+コンタクト領域9の表面に共通に電気的に接触するソース電極10を設ける。この際、ゲート電極7は層間絶縁膜(BPSG膜)11によりソース電極10と絶縁する。また、図示しない断面でゲート電極7に接触する金属ゲート電極を設ける。最後に、n+ドレイン領域1に接する形でドレイン電極12を設ける。このようにしてトレンチゲート型MOSFETが作製される。
FIG. 5 is a cross-sectional view of a main part of a conventional n-channel trench gate type MOSFET.
The manufacturing process is shown below. First, a thick insulating film (oxide film) 3 is formed on the surface of an n-type silicon semiconductor substrate composed of an n + drain region 1 and a high resistivity n − drift region 2. Next, a p-
なお、トレンチゲート型IGBTでは、図5において、さらにドレイン領域1の裏面に電気的に接続するp型半導体領域を形成する。
図5に示す従来のトレンチゲート型MOSFETは「トレンチゲート構造」を採用することで、チャネル幅を稼ぎ、大幅な微細化を実現している。しかし、図5に示す構造において微細化、具体的にはセルピッチ(並列するトレンチゲート間の距離)の縮小を行なうと、ソースコンタクト面積が小さくなり、コンタクト抵抗が増加するという問題が生じる。この問題を解消するため、特許文献1、2には、いわゆるトレンチコンタクト構造を利用してコンタクト面積を広げた半導体装置が開示されている。ここで、トレンチコンタクト構造は、図6に示すように、コンタクト用トレンチ14の底部(底面)でコンタクト領域9との電気的接続を、側壁でソース領域8との電気的接続を取ることで、ソースコンタクト面積を広げるものである。
In the trench gate type IGBT, a p-type semiconductor region electrically connected to the back surface of the
The conventional trench gate type MOSFET shown in FIG. 5 employs a “trench gate structure”, thereby increasing the channel width and realizing significant miniaturization. However, if the structure shown in FIG. 5 is miniaturized, specifically, the cell pitch (distance between the parallel trench gates) is reduced, the source contact area becomes smaller, and the contact resistance increases. In order to solve this problem,
しかしながら、特許文献1、2に開示されるトレンチコンタクト構造では、コンタクト用トレンチ14をRIE(Reactive Ion Etching)で形成した後、コンタクト領域9を形成するために、その底部にイオン注入して拡散させる。このため、注入したイオンが横方向拡散し、チャネルとの距離が小さくなってしきい値電圧が影響を受ける場合があった。また、セルピッチの縮小に加え、ソース領域8を浅くする場合、ソース電極とソース領域のコンタクト面積(以下「ソースコンタクト面積」ともいう。)がコンタクト用トレンチ14側壁で少なくなるという課題があった。また、このソースコンタクト面積を確保するため、コンタクト用トレンチ14の側壁にも高濃度のソース領域を形成すると、ソース領域とウェル領域4の濃度勾配が急になり、アバランシェ耐量が低くなる課題もあった。
However, in the trench contact structures disclosed in
この問題を解消するため、特許文献3、4には、図7(a)から図7(c)に示すように、コンタクト用トレンチ14を形成後、コンタクト用トレンチ14の側壁に保護膜15を形成した状態でコンタクト領域9を形成するためのイオン注入を行ことが記載されている。また、このような方法で形成することにより、(図7(d))に示すように、コンタクト用トレンチ14の幅よりも狭い幅のコンタクト領域9を備えたトレンチコンタクト構造について記載されている。
In order to solve this problem, in
しかしながら、特許文献3、4に開示されるトレンチコンタクト構造では、コンタクト用トレンチ14の側壁に保護膜15を形成する工程およびこの保護膜15を除去する工程を追加する必要があり、コスト上昇につながる。
However, in the trench contact structures disclosed in
本発明は、これらの課題に鑑みてなされたものであって、簡便な方法により微細化が可能な半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of these problems, and an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device that can be miniaturized by a simple method.
上記目的を達成するため、本発明の半導体装置の製造方法は、第1導電型である半導体基板と、半導体基板の表面に形成された第2導電型の第1半導体領域と、この第1半導体領域の表面に形成された第1導電型の第2半導体領域と、この第2半導体領域から前記第1半導体領域を貫通して前記半導体基板に至る第1トレンチと、この第1トレンチの内壁に設けられた絶縁層と、この第1トレンチの内部を前記絶縁層を介して充填するゲート電極と、前記第2半導体領域内に底部を有する、もしくは、前記第2半導体領域を貫通し前記第1半導体領域に底部を有する第2トレンチと、この第2トレンチの底部に第1半導体領域に接する第2導電型の高濃度領域と、を備える半導体装置の製造方法において、
前記第2半導体領域上に第1の絶縁膜を形成する工程と、該第1の絶縁膜に開口部を形成し、前記第2半導体領域の一部を露出させる工程と、前記第1の絶縁膜をマスクとして異方性エッチングにより前記第2半導体領域に前記第2トレンチを形成する工程と、前記第1の絶縁膜をマスクとして等方性エッチングにより前記第2トレンチの内壁を後退させ開口幅を広げる工程と、前記第1絶縁膜をマスクとして第2導電型のドーパントであるイオンを第2トレンチの底部へ注入し、アニールする工程と、前記第1の絶縁膜をエッチングし前記第1の絶縁膜の開口部の幅を前記第2トレンチの開口幅以上に広げる工程と、を有し、これらの工程をこの順に行うことを特徴とする。
In order to achieve the above object, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor substrate having a first conductivity type, a first semiconductor region having a second conductivity type formed on a surface of the semiconductor substrate, and the first semiconductor. A first conductive type second semiconductor region formed on the surface of the region, a first trench extending from the second semiconductor region through the first semiconductor region to the semiconductor substrate, and an inner wall of the first trench An insulating layer provided; a gate electrode that fills the inside of the first trench through the insulating layer; and a bottom in the second semiconductor region, or the first semiconductor layer penetrating through the second semiconductor region. In a method of manufacturing a semiconductor device comprising: a second trench having a bottom in a semiconductor region; and a second conductivity type high concentration region in contact with the first semiconductor region at the bottom of the second trench.
Forming a first insulating film on the second semiconductor region; forming an opening in the first insulating film to expose a part of the second semiconductor region; and the first insulation. Forming the second trench in the second semiconductor region by anisotropic etching using the film as a mask, and retreating the inner wall of the second trench by isotropic etching using the first insulating film as a mask. a step of extending the said first insulating film is a second conductivity type dopant as a mask ions are implanted into the bottom of the second trench, and annealing, and etching the first insulating film said first Expanding the width of the opening of the insulating film to be larger than the width of the opening of the second trench, and performing these steps in this order.
また、上記半導体装置の製造方法においては、
前記第1の絶縁膜がHTO膜と該HTO膜の上に形成されたBPSG膜との積層膜であり、前記アニールする工程のアニールにより前記BPSG膜をリフローすることを特徴とする。
In the method for manufacturing the semiconductor device,
The first insulating film is a laminated film of an HTO film and a BPSG film formed on the HTO film, and the BPSG film is reflowed by annealing in the annealing step.
また、上記半導体装置の製造方法において、さらに、前記第1の絶縁膜をエッチングし前記第1の絶縁膜の開口部の幅を前記第2トレンチの開口幅以上に広げる工程の後に、前記第2トレンチ内にAlまたはAl−Si合金をスパッタにより埋め込む工程を有することを特徴とする。 In the method of manufacturing a semiconductor device, the second insulating film may be further etched after the step of etching the first insulating film to increase the width of the opening of the first insulating film to be larger than the opening width of the second trench. The method includes a step of embedding Al or an Al—Si alloy in the trench by sputtering.
本発明の半導体装置の製造方法によれば、コンタクト用のトレンチよりも狭い開口幅の層間絶縁膜をマスクとして、ウェル領域内にコンタクト領域形成のためのイオン注入を行うため、コンタクト用のトレンチの側壁にイオン注入されることがない。このため、ソース電極とソース領域とのコンタクト抵抗が小さい半導体装置を提供することができる。 According to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, ion implantation for forming a contact region is performed in a well region using an interlayer insulating film having an opening width narrower than that of the contact trench as a mask. Ions are not implanted into the sidewall. Therefore, a semiconductor device having a small contact resistance between the source electrode and the source region can be provided.
また、狭い開口幅の層間絶縁膜をマスクとして異方性エッチングによりトレンチを形成した後、等方性エッチングをおこないトレンチの幅を広げることにより、ソース電極の埋込性が良好となる。このため、トレンチ内へのプラグ電極の埋込などの工程を追加することなく低コストの半導体装置を提供することができる。 In addition, after forming a trench by anisotropic etching using an interlayer insulating film having a narrow opening width as a mask, isotropic etching is performed to widen the width of the trench, thereby improving the burying property of the source electrode. For this reason, a low-cost semiconductor device can be provided without adding a process such as embedding the plug electrode in the trench.
また、層間絶縁膜の開口を広げる際に、コンタクト用のトレンチの開口幅よりも広くなるように広げることにより、ソース領域とのコンタクト面積を増やすことができ、さらにコンタクト抵抗が小さい半導体装置を提供することができる。 In addition, when the opening of the interlayer insulating film is widened, the contact area with the source region can be increased by widening the opening to be wider than the opening width of the contact trench, and a semiconductor device with low contact resistance is provided. can do.
以上より、セルピッチ縮小と低コストを両立させた半導体装置を提供することができる。 From the above, it is possible to provide a semiconductor device that achieves both cell pitch reduction and low cost.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。ここでは、nチャネル型のトレンチゲート型MOSFETを例にとり、その製造方法に従って説明する。図5、6、7の従来技術の構成と対応する箇所には同一の符号を用いた。なお、以下の実施例では、上記の第1導電型がn型、第2導電型がp型である。+、−記号はn型、またはp型の不純物濃度が相対的に高濃度、低濃度であることを表す。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Here, an n-channel trench gate type MOSFET will be taken as an example and described according to its manufacturing method. The same reference numerals are used for portions corresponding to the configurations of the prior art in FIGS. In the following embodiments, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. The + and-symbols indicate that the n-type or p-type impurity concentration is relatively high or low.
本実施例は、本発明の第1の半導体装置の実施形態である。図1〜図4は、第1の半導体装置の製造工程を示す要部断面図であり、ストライプ状に形成するトレンチの長手方向に垂直な断面を表している。また、図1(c)〜図2(c)は図1(b)中の枠A(破線で囲んだ領域)のみを示している。 This example is an embodiment of the first semiconductor device of the present invention. 1 to 4 are main-portion cross-sectional views showing a manufacturing process of the first semiconductor device, and show a cross section perpendicular to the longitudinal direction of a trench formed in a stripe shape. Moreover, FIG.1 (c)-FIG.2 (c) have shown only the flame | frame A (area | region enclosed with the broken line) in FIG.1 (b).
まず、図1(a)に示すように、n+ドレイン領域1を備え高比抵抗のn型エピタキシャル層を形成したシリコン半導体基板を準備する。高比抵抗のnドリフト領域2(n型エピタキシャル層)上に、開口した酸化膜3を形成し、ボロンイオンを注入、ドライブインして、選択的にp型のウェル領域4を形成する。なお、絶縁膜(酸化膜)3は、LOCOS(Local Oxidation of Silicon)でもSTI(Shallow Trench Isolation)で形成したものでもよい。
First, as shown in FIG. 1A, a silicon semiconductor substrate having an n + drain region 1 and having a high resistivity n-type epitaxial layer is prepared. An
次に、図1(b)に示すように、p型のウェル領域4の表面からnドリフト領域2に達するストライプ状のトレンチ5を異方性エッチングにより形成する。トレンチ5内を洗浄するため希薄なフッ酸などの溶液で洗浄処理を行い、続いて水素アニール処理を行う。この処理によりトレンチ5の開口部と底部の形状が丸くなる。トレンチ5の内部にゲート絶縁膜(酸化膜)6を介してゲート電極7を埋め込む。ゲート電極7としては、通常、n型ドープされた多結晶シリコンをCVD(Chemical Vapor Deposition)で堆積させると良
い。そして、基板表面のゲート絶縁膜6を除去し、図1(c)に示すようにスクリーン酸化膜13を形成する。
Next, as shown in FIG. 1B, a stripe-shaped
次に、図1(d)に示すようにn+ソース領域8を形成した後、HTO(High Temperature Oxide)膜16とBPSG膜(boro-phospho silicate glass film)17を堆積させ、スクリーン酸化膜13、HTO膜16およびBPSG膜17からなる厚さ0.8μm程度の層間絶縁膜11を形成する。HTO膜16とBPSG膜17の厚さはそれぞれ、0.2μm、0.6μm程度である。ソース領域8はAs(ヒ素)のイオン注入とドライブイン処理によって形成する。その深さは0.4〜0.6μm程度である。ソース領域8はトレンチ5を形成する前に形成しておいても良い。
Next, after forming the n + source region 8 as shown in FIG. 1D, an HTO (High Temperature Oxide)
次に、図2(a)に示すように、図示しないマスクを用い異方性エッチング(RIE)により層間絶縁膜11を除去、開口し、この層間絶縁膜11をマスクとして、異方性エッチングにより幅0.2μm、深さ0.3〜0.5μmでストライプ状のコンタクト用トレンチ14を形成する。
Next, as shown in FIG. 2A, the
続いて、図2(b)に示すように、CDE(chemical dry etching)などの等方性エッチングにより、コンタクト用トレンチ14をエッチングし全体的に0.1〜0.2μm程度広げる。コンタクト用トレンチ14は、ソース領域8より深く、pウェル領域4に達していると良い。層間絶縁膜11は、コンタクト用トレンチ14の上に張り出す庇部を有することになる。
Subsequently, as shown in FIG. 2 (b), the
次に、図2(c)に示すように、酸素と水素の雰囲気中で熱処理約850℃を行い、コンタクト用トレンチ14内面に膜厚15nmのスクリーン酸化膜18を形成する。このスクリーン酸化膜18は必要に応じて形成すればよい。次に、BF2イオンを半導体基板に対し垂直方向に注入する。BF2イオンのドーズ量は、3.0×1015cm−2、加速電圧は50keVで、注入する。なお、コンタクト用トレンチ14の側壁は、層間絶縁膜11の庇部の陰になり、側壁へイオン注入されない。
Next, as shown in FIG. 2C, a heat treatment of about 850 ° C. is performed in an oxygen and hydrogen atmosphere to form a
次に、図3(a)に示すように、窒素ガス雰囲気において900℃、30分間の活性化アニールを行ない、p+コンタクト領域9をコンタクト用トレンチ14の底部にpウェル領域4に至るように形成する。この活性化と同時にBPSG膜17のリフロー(reflow)も行われる。HTO膜16は、BPSG膜17から半導体基板への不純物の拡散を防ぐとともに、リフロー時の土台となる。
Next, as shown in FIG. 3A, activation annealing is performed at 900 ° C. for 30 minutes in a nitrogen gas atmosphere so that the p + contact region 9 reaches the
次に、図3(b)に示すように、フッ酸によるウェット処理もしくはCDE等の等方性エッチングを行い、層間絶縁膜11を少なくとも0.15μm〜0.25μm程度エッチングし、層間絶縁膜11の開口部の幅H(層間絶縁膜11の開口部の前記半導体基板と接する下端の幅)をコンタクト用トレンチ14の開口幅h(コンタクト用トレンチ14の上端部の開口幅)よりも広くし庇部を除去する。この際にスクリーン酸化膜18も除去される。この実施例では、n+ソース領域8の表面が露出するように層間絶縁膜11を後退させたが、層間絶縁膜11の開口部の幅Hとコンタクト用トレンチ14の開口幅hが同じになる(層間絶縁膜11の庇部がなくなる)程度後退させるようにエッチングすればよい。つまり、幅H≧幅hとなるようにエッチングすればよい。
Next, as shown in FIG. 3B, wet treatment with hydrofluoric acid or isotropic etching such as CDE is performed to etch the
ここで、BPSG膜17はリフローにより、ゲート電極7を中心に山状になっている。このため、ゲート・ソース間の耐圧を確保すると共に、コンタクト用トレンチ14をAl(アルミニウム)やAl−Si合金などの金属材料で埋め込んでソース電極10を形成する際のアスペクト比を低くする。
Here, the
最後に、図4に示すように、n+ソース領域8とp+コンタクト領域9の表面に共通に接触するソース電極10をAl−Si合金をリフロースパッタにより形成し、図示しない断面でゲート電極7に接触する金属ゲート電極、裏面にドレイン電極12を設ける。ソース電極10としては、アルミニウムからなるものであってもよい。
Finally, as shown in FIG. 4, the source electrode 10 that is in contact with the surfaces of the n + source region 8 and the p + contact region 9 is formed by reflow sputtering with an Al—Si alloy, and the
このように作製された半導体装置では、ストライプ状のコンタクト用トレンチ14の底部の幅Tが0.3〜0.4μmであるのに対し、コンタクト領域9の幅tは0.2μmである。ここでコンタクト用トレンチ14底部と、コンタクト領域9のコンタクト用トレンチ14底部に露出する部分の夫々の形状は細長い長方形であり、前記幅T、tは夫々の長方形の長辺間の距離である。本発明ではコンタクト領域9とトレンチ5との距離を確保するためt<Tであることが重要であり、さらにはトレンチ5の側壁からコンタクト領域9までの距離が0.2μm以上であることが望ましい。
In the semiconductor device manufactured in this way, the width T of the bottom of the stripe-shaped
なお、上記の実施例では、トレンチの形状としてストライプ状のものを例示しているが、方形パターン又は円形パターン等であっても構わない。コンタクト用トレンチとしては、ソース領域、コンタクト領域と電極との接触面積を確保するため実施例記載のようにストライプ状の溝(細長い直方体状溝(断面が台形やU字状のものを含む)が好ましい。さらに、接触面積を確保するためストライプ状のトレンチをジグザグ形状、波型形状としてもよい。また、ゲート絶縁膜を有するトレンチの形状が方形、円形パターン等である場合には、コンタクト用トレンチを格子状に形成してもよい。これらの場合にはゲート絶縁膜を有するトレンチとコンタクト領域の距離を確保できるよう幅T及びtを適宜選択すればよい。 In the above embodiment, the trench shape is exemplified as a stripe shape, but it may be a square pattern or a circular pattern. As the contact trenches, there are strip-like grooves (elongated rectangular parallelepiped grooves (including those having a trapezoidal or U-shaped cross section) as described in the embodiment in order to secure a contact area between the source region and the contact region and the electrode. In addition, the stripe-shaped trench may be formed in a zigzag shape or a corrugated shape in order to secure a contact area, and when the shape of the trench having the gate insulating film is a square shape, a circular pattern, etc. In these cases, the widths T and t may be appropriately selected so that the distance between the trench having the gate insulating film and the contact region can be secured.
また、上記の実施例では、nチャネル型のトレンチゲート型MOSFETを例にとり説明したが、本発明はコンタクト用トレンチの構造とその作製方法に関するものであり、この他のソース構造やドレイン構造は任意に選択できる。したがって、MOSFETのみでなく、コンタクト用トレンチを有するものであればIGBT等にも適用できる。さらに、半導体基板としてシリコン製の他、炭化珪素(SiC)製のもの等も用いることができる。 In the above embodiment, an n-channel trench gate type MOSFET has been described as an example. However, the present invention relates to a structure of a contact trench and a manufacturing method thereof, and other source and drain structures are optional. Can be selected. Therefore, the present invention can be applied not only to the MOSFET but also to an IGBT or the like as long as it has a contact trench. In addition to silicon, a semiconductor substrate made of silicon carbide (SiC) can be used.
1 ドレイン領域
2 ドリフト領域
3 絶縁膜(酸化膜)
4 ウェル領域
5 トレンチ
6 ゲート絶縁膜(酸化膜)
7 ゲート電極
8 ソース領域
9 コンタクト領域
10 ソース電極
11 層間絶縁膜
12 ドレイン電極
13 スクリーン酸化膜
15 保護膜
14 コンタクト用トレンチ
16 HTO膜
17 BPSG膜
18 スクリーン酸化膜
T コンタクト用トレンチ14の底部の幅
t コンタクト領域9の幅
H 層間絶縁膜11の開口部の幅
h コンタクト用トレンチ14の開口幅
1
4 well
7
Claims (3)
前記第2半導体領域上に第1の絶縁膜を形成する工程と、該第1の絶縁膜に開口部を形成し、前記第2半導体領域の一部を露出させる工程と、前記第1の絶縁膜をマスクとして異方性エッチングにより前記第2半導体領域に前記第2トレンチを形成する工程と、前記第1の絶縁膜をマスクとして等方性エッチングにより前記第2トレンチの内壁を後退させ開口幅を広げる工程と、前記第1絶縁膜をマスクとして第2導電型のドーパントであるイオンを第2トレンチの底部へ注入し、アニールする工程と、前記第1の絶縁膜をエッチングし前記第1の絶縁膜の開口部の幅を前記第2トレンチの開口幅以上に広げる工程と、を有し、これらの工程をこの順に行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A first conductivity type semiconductor substrate; a second conductivity type first semiconductor region formed on the surface of the semiconductor substrate; and a first conductivity type second semiconductor region formed on the surface of the first semiconductor region; A first trench extending from the second semiconductor region through the first semiconductor region to the semiconductor substrate, an insulating layer provided on an inner wall of the first trench, and an interior of the first trench through the insulating layer And a second trench having a bottom in the second semiconductor region or penetrating the second semiconductor region and having a bottom in the first semiconductor region, and a bottom of the second trench And a high concentration region of a second conductivity type in contact with the first semiconductor region.
Forming a first insulating film on the second semiconductor region; forming an opening in the first insulating film to expose a part of the second semiconductor region; and the first insulation. Forming the second trench in the second semiconductor region by anisotropic etching using the film as a mask, and retreating the inner wall of the second trench by isotropic etching using the first insulating film as a mask. a step of extending the said first insulating film is a second conductivity type dopant as a mask ions are implanted into the bottom of the second trench, and annealing, and etching the first insulating film said first Expanding the width of the opening of the insulating film to be equal to or larger than the width of the opening of the second trench, and performing these steps in this order.
After the step of etching the first insulating film and expanding the width of the opening of the first insulating film to be equal to or larger than the opening width of the second trench, Al or Al—Si alloy is sputtered into the second trench. 2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising a step of embedding.
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