JP5725129B2 - Manufacturing method of semiconductor device having vertical MOSFET of super junction structure - Google Patents
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Description
本発明は、第1半導体層に形成したトレンチ内に第2半導体層をエピタキシャル成長させてスーパージャンクション(以下、SJという)構造を形成するSJ構造の縦型MOSFETを備えた半導体装置の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device including a vertical MOSFET having an SJ structure in which a second semiconductor layer is epitaxially grown in a trench formed in a first semiconductor layer to form a super junction (hereinafter referred to as SJ) structure. It is.
従来より、n型カラムとp型カラムとが交互に繰り返し形成されたSJ構造を有する半導体装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。SJ構造の半導体装置を製造する際には、例えば図9(a)に示すように、n+型シリコン基板J1の表面にn-型層J2をエピタキシャル成長させた半導体基板J3を用いて行われている。図9(b)に示すように、n-型層J2にトレンチJ4を形成したのち、図9(c)に示すように、そのトレンチJ4内にp-型層J5をエピタキシャル成長させる。そして、図10(a)に示すように、表面の平坦化研磨によってトレンチJ4の外に形成されたp-型層J5を除去してトレンチJ4内にのみ残す。これにより、n-型層J2からなるn型カラムとp-型層J5からなるp型カラムが交互に繰り返されたPNカラムを有するSJ構造を形成している。 Conventionally, a semiconductor device having an SJ structure in which n-type columns and p-type columns are alternately and repeatedly formed is known (see, for example, Patent Document 1). When manufacturing a semiconductor device having an SJ structure, for example, as shown in FIG. 9A, a semiconductor substrate J3 in which an n − type layer J2 is epitaxially grown on the surface of an n + type silicon substrate J1 is used. Yes. As shown in FIG. 9B, after forming a trench J4 in the n − -type layer J2, a p − -type layer J5 is epitaxially grown in the trench J4 as shown in FIG. 9C. Then, as shown in FIG. 10A, the p − -type layer J5 formed outside the trench J4 is removed by planarization of the surface and is left only in the trench J4. Thus, an SJ structure having a PN column in which an n-type column composed of an n − -type layer J2 and a p-type column composed of a p − -type layer J5 are alternately repeated is formed.
その後、図10(b)に示すように、SJ構造を形成した後で、p-型層J6をエピタキシャル成長させたのち、その後のデバイス形成工程を行う。例えば、図10(c)に示すように、n+型ソース領域J7、トレンチゲート構造J8や表面電極J9および裏面電極J10の形成工程などを従来と同様の手法によって行う。このような手法により、SJ構造の縦型MOSトランジスタを製造している。 Thereafter, as shown in FIG. 10B, after the SJ structure is formed, the p − -type layer J6 is epitaxially grown, and then a subsequent device formation step is performed. For example, as shown in FIG. 10C, the n + -type source region J7, the trench gate structure J8, the front surface electrode J9, the back surface electrode J10, and the like are formed by a method similar to the conventional method. A vertical MOS transistor having an SJ structure is manufactured by such a method.
しかしながら、p-型層J5をトレンチJ4内に埋め込むようにエピタキシャル成長させた後で行うp-型層J5およびn-型層J2の表面の平坦化研磨のバラツキが大きく、PNカラムの深さがばらついて精度良く所望の深さにすることができなかった。これは、エピタキシャル成長自体の精度の問題もあるが、それ以上にp-型層J5およびn-型層J2の平坦化研磨が同じ半導体材料(例えばシリコン)の研磨加工となり、狙いの膜厚で研磨ストップを行うのが原理的に難しいためである。そして、このようにPNカラムの深さのバラツキが発生すると、半導体装置の耐圧がばらつき、デバイス特性が悪化するという問題を発生させる。 However, there is a large variation in planarization polishing of the surfaces of the p − type layer J5 and the n − type layer J2 after epitaxial growth so that the p − type layer J5 is buried in the trench J4, and the depth of the PN column varies. Therefore, the desired depth could not be obtained with high accuracy. This is due to the accuracy of the epitaxial growth itself, but the planarization polishing of the p − type layer J5 and the n − type layer J2 becomes the polishing process of the same semiconductor material (for example, silicon), and the target film thickness is polished. This is because it is difficult in principle to perform the stop. When the variation in the depth of the PN column occurs in this way, there arises a problem that the breakdown voltage of the semiconductor device varies and the device characteristics deteriorate.
また、SJ構造を形成した後でSJ構造の上にp-型層J6をエピタキシャル成長させているが、SJ構造の表面とp-型層J6との構造間の処理によって上側のp-型層J6が異常成長し、デバイス特性を悪化させるという問題もある。ここでいう構造間の処理とは、SJ構造を形成した後で行われるSJ構造の表面の平坦化研磨やp-型層J6の成長前のウェハ洗浄のことであり、この処理次第で結晶欠陥が発生し、その結晶欠陥が引き継がれることでp型層が異常成長することがある。 Further, p on the SJ structure after forming the SJ structure - but -type layer J6 are epitaxially grown, the surface of the SJ structure and p - upper by processing between the structure of the mold layer J6 of p - type layer J6 However, there is also a problem that the device characteristics are deteriorated due to abnormal growth. The treatment between structures here means planarization polishing of the surface of the SJ structure performed after the SJ structure is formed and wafer cleaning before the growth of the p − -type layer J6. May occur and the p-type layer may grow abnormally when the crystal defects are taken over.
また、p-型層J6の形成工程を独立して行っていることから、製造工程が増加し、製造コストが高くなるという問題もある。 In addition, since the p − -type layer J6 is formed independently, there is a problem that the manufacturing process increases and the manufacturing cost increases.
本発明は上記点に鑑みて、PNカラムの深さのバラツキを抑制してデバイス特性の悪化を抑制でき、かつ、製造工程の簡略化を図ることができるSJ構造の縦型MOSFETを備えた半導体装置の製造方法を提供することを第1の目的とする。また、第1導電型の第1半導体層に形成したトレンチ内に第2導電型の第2半導体層を埋め込んでSJ構造を形成したのち、第1半導体層の上に第2導電型層を形成する際に、第2導電型層の異常成長を抑制し、デバイス特性の悪化を抑制することを第2の目的とする。 In view of the above, the present invention is a semiconductor including a vertical MOSFET having an SJ structure that can suppress the variation in the depth of the PN column, suppress the deterioration of device characteristics, and can simplify the manufacturing process. It is a first object to provide a method for manufacturing an apparatus. In addition, after forming the SJ structure by burying the second conductive type second semiconductor layer in the trench formed in the first conductive type first semiconductor layer, the second conductive type layer is formed on the first semiconductor layer. In this case, the second object is to suppress abnormal growth of the second conductivity type layer and to suppress deterioration of device characteristics.
上記目的を達成するため、請求項1ないし9に記載の発明では、半導体材料で構成された基板(11)の表面(11a)側に、第1導電型の第1半導体層(12)が形成された半導体基板(10)を用意したのち、第2半導体層のうち縦型MOSFETを形成してチップとして用いるメイン領域の少なくとも一部を含むように第1凹部(12a)を形成することで、第1半導体層に段差を付ける。また、第1凹部内を含めて第1半導体層の上にマスク(14)を配置し、該マスクを用いてメイン領域における第1凹部内において、第1半導体層をエッチングすることでトレンチ(15)を形成する。そして、マスクのうちの少なくとも第1凹部内に形成されている部分を除去したのち、トレンチ内および第1凹部内を埋め込みつつ第1半導体層の上に、第2導電型の第2半導体層(16)をエピタキシャル成長させ、第2半導体層を平坦化研磨することで、第2半導体層をトレンチおよび第1凹部に残し、トレンチ内に残された第2半導体層による第2導電型カラムと第1半導体層による第1導電型カラムとが交互に繰り返されたPNカラムを有するSJ構造を形成する。その後、SJ構造の上に、第2導電型のチャネル層(17)と該チャネル層に接する第1導電型のソース領域(18)を形成すると共に、チャネル層の表面にゲート絶縁膜(22)を介してゲート電極(23)を形成し、さらに半導体基板の表面側にソース領域に電気的に接続されるソース電極(25)を形成すると共に、半導体基板の裏面側に半導体材料で構成された基板の裏面に接続されるドレイン電極(26)を形成することで縦型MOSFETを形成することを特徴としている。
In order to achieve the above object, in the invention described in
このように、第1半導体層に第1凹部を形成しておき、トレンチを埋め込むように第2半導体層を形成する際に、第1凹部内も埋め込まれるようにしている。このため、第2半導体層のうち第1凹部内に形成された部分をSJ構造の上に形成される第2導電型層として用いることができる。 In this way, the first recess is formed in the first semiconductor layer, and when the second semiconductor layer is formed so as to fill the trench, the inside of the first recess is also filled. For this reason, the part formed in the 1st recessed part among the 2nd semiconductor layers can be used as a 2nd conductivity type layer formed on SJ structure.
このため、第2導電型カラムを形成するための第2導電型層とSJ構造の上に形成される第2導電型層を同じ第2半導体層によって構成することができ、同時に形成することができるので、製造工程の簡略化を図ることができる。また、SJ構造を構成してからSJ構造の上の第2導電型層を形成する場合のように、PNカラムの表面の平坦化研磨やウェハ洗浄などのPNカラムの表面と第2半導体層との構造間の処理を行う必要がない。よって、半導体装置の耐圧がばらつくことを抑制でき、デバイス特性の悪化を抑制することが可能となる。 Therefore, the second conductivity type layer for forming the second conductivity type column and the second conductivity type layer formed on the SJ structure can be constituted by the same second semiconductor layer and can be formed simultaneously. Therefore, the manufacturing process can be simplified. Further, as in the case of forming the second conductivity type layer on the SJ structure after forming the SJ structure, the surface of the PN column such as planarization polishing of the surface of the PN column or wafer cleaning, the second semiconductor layer, It is not necessary to perform processing between the structures. Therefore, variation in the breakdown voltage of the semiconductor device can be suppressed, and deterioration of device characteristics can be suppressed.
請求項7に記載の発明は、第2半導体層を形成する工程の前に、第1半導体層のうち縦型MOSFETが形成されるセル領域の周辺領域となる外周領域において第3凹部(12c)を形成する工程を有し、第2半導体層を形成する工程では、第3凹部内を埋め込むように第1半導体層の上に第2半導体層を形成することを特徴としている。 According to the seventh aspect of the present invention, before the step of forming the second semiconductor layer, the third recess (12c) in the outer peripheral region that is the peripheral region of the cell region in which the vertical MOSFET is formed in the first semiconductor layer. The step of forming the second semiconductor layer is characterized in that the second semiconductor layer is formed on the first semiconductor layer so as to fill the third recess.
このように、第1半導体層に第3凹部を形成しておき、その第3凹部内にも第2半導体層を埋め込むようにしている。このようにすれば、第2半導体層を平坦化研磨する際に、仮に第1半導体層の上において第2半導体層が除去されて第1半導体層が露出するまで研磨されたとしても、第3凹部内に第2半導体層を残せる。このため、外周領域において確実にリサーフ層(40)が構成されるようにすることができる。 As described above, the third recess is formed in the first semiconductor layer, and the second semiconductor layer is embedded in the third recess. In this way, when the second semiconductor layer is planarized and polished, even if the second semiconductor layer is removed on the first semiconductor layer until the first semiconductor layer is exposed, the third semiconductor layer is removed. The second semiconductor layer can be left in the recess. For this reason, a RESURF layer (40) can be reliably comprised in an outer peripheral area | region.
請求項10に記載の発明では、半導体材料で構成された基板(11)の表面(11a)側に、第1導電型の第1半導体層(12)が形成された半導体基板(10)を用意したのち、第1半導体層の上にマスク(14)を配置し、該第1半導体層のうち縦型MOSFETを形成してチップとして用いるメイン領域において該第1半導体層をエッチングすることでトレンチ(15)を形成する。また、トレンチ内を埋め込みつつ、第1半導体層のうちトレンチの外側の部分の上にも、第2導電型の第2半導体層(16)をエピタキシャル成長させることで、トレンチ内に残された第2半導体層による第2導電型カラムと第1半導体層による第1導電型カラムとが交互に繰り返されたPNカラムを有するSJ構造を形成する。そして、SJ構造の上に、第2導電型のチャネル層(17)と該チャネル層に接する第1導電型のソース領域(18)を形成すると共に、チャネル層の表面にゲート絶縁膜(22)を介してゲート電極(23)を形成し、さらに半導体基板の表面側にソース領域に電気的に接続されるソース電極(25)を形成すると共に、半導体基板の裏面側に基板の裏面に接続されるドレイン電極(26)を形成することで縦型MOSFETを形成することを特徴としている。
In the invention described in
このように、第1半導体層に形成したトレンチ内に第2半導体層を形成したのち、引き続いて第1半導体層のうちトレンチの外側の部分の上にも第2半導体層を形成するようにしている。つまり、トレンチ内に第2半導体層を埋め込んだ後に第1半導体層および第2半導体層の平坦化研磨などの構造間の処理を行うことなく、更に第1半導体層のうちトレンチの外側の部分の上に第2半導体層を形成している。このため、第1半導体層の上に第2導電型層を形成する際に、第2導電型層の異常成長を抑制でき、デバイス特性の悪化を抑制することが可能となる。 As described above, after the second semiconductor layer is formed in the trench formed in the first semiconductor layer, the second semiconductor layer is formed also on the portion of the first semiconductor layer outside the trench. Yes. That is, after the second semiconductor layer is embedded in the trench, the inter-structure processing such as planarization polishing of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is not performed, and the portion of the first semiconductor layer outside the trench is further processed. A second semiconductor layer is formed thereon. For this reason, when forming a 2nd conductivity type layer on a 1st semiconductor layer, the abnormal growth of a 2nd conductivity type layer can be suppressed, and it becomes possible to suppress deterioration of a device characteristic.
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows an example of a corresponding relationship with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, parts that are the same or equivalent to each other will be described with the same reference numerals.
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態にかかる半導体装置の製造方法について、図1および図2を参照して説明する。なお、ここではSJ構造の縦型MOSFETとして、トレンチゲート型の縦型MOSFETを備えた半導体装置を例に挙げて説明する。
(First embodiment)
A method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Here, a semiconductor device including a trench gate type vertical MOSFET will be described as an example of the vertical MOSFET having the SJ structure.
〔図1(a)に示す工程〕
表面11aおよび裏面11bを有する半導体材料で構成された基板としてのn+型シリコン基板11の表面11aに、第1半導体層に相当するn-型層12をエピタキシャル成長させた半導体基板10を用意する。n+型シリコン基板11は、ドレイン領域として機能する部分であり、n-型層12よりもn型不純物濃度が高くされている。n-型層12は、ドリフト層として機能と共にPNカラムにおけるn型カラムを構成する部分である。
[Step shown in FIG. 1 (a)]
A
〔図1(b)に示す工程〕
半導体基板10の表面側において、n-型層12の表面にCVD(Chemical Vapor Deposition)法や熱酸化などによって酸化膜13を形成する。その後、酸化膜13の上に図示しないレジストを配置し、フォトリソグラフィ工程を経て、縦型MOSFETなどを形成してチップとして利用するメイン領域においてレジストを開口させると共に、スクライブ領域においてもレジストを開口させる。このとき、メイン領域とスクライブ領域の境界位置についてはレジストが残るようにしている。次いで、エッチング工程を行い、レジストの開口位置において酸化膜13を開口させる。
[Step shown in FIG. 1B]
On the surface side of the
そして、レジストを除去し、酸化膜13をマスクとして、RIE(Reactive Ion Etching)法や、O2とC4F8およびSF6を交互に繰り返し導入して底部エッチングおよびポリマー膜による側壁保護を繰り返し行うBOSCH法などの異方性エッチングを行う。具体的には、n-型層12を所定深さ2.5〜3.5μm程度除去する程度エッチングする。これにより、n-型層12のメイン領域に凹部12aが形成されることで、メイン領域とスクライブ領域との間に段差が付けられる。また、このとき同時に、スクライブ領域に後工程においてマスク合わせなどを行う際のアライメントのターゲットとなる凹部12bが形成される。そして、メイン領域とスクライブ領域との境界位置、具体的にはメイン領域における外縁部の少なくとも一部にn-型層12が凸状に残される。この後、酸化膜13を除去する。
Then, the resist is removed, and using the
〔図2(a)に示す工程〕
再び、半導体基板10の表面側において、n-型層12を覆うようにCVD法や熱酸化などによって酸化膜14を0.2〜0.3μmの厚みで形成する。その後、酸化膜14の上に図示しないレジストを配置し、フォトリソグラフィ工程を経てトレンチ形成予定位置においてレジストを開口させると共にその開口位置において酸化膜14を開口させる。そして、レジストを除去し、酸化膜14をマスクとして、RIEやBOSCH法などの異方性エッチングを行う。具体的には、凹部12a内において、n-型層12を所定深さ、例えばn-型層12の厚みと同等もしくはそれよりも若干浅くエッチングする。これにより、n-型層12の所望位置にSJ構造形成用の例えばストライプ状とされたトレンチ15が形成される。
[Step shown in FIG. 2 (a)]
Again, on the surface side of the
〔図2(b)に示す工程〕
酸化膜14のうちトレンチ15から離れた位置に形成されている部分については残し、トレンチ15の開口部周辺に配置されている部分、具体的には凹部12a内に形成されている部分については除去する。
[Step shown in FIG. 2 (b)]
A portion of the
例えば、酸化膜14の上に再びレジストを配置したのち、半導体基板10のうち縦型MOSFETなどを形成してチップとして利用するメイン領域においてレジストを開口させる。そして、アライメントのターゲットを形成する領域であってダイシング時にカットされるスクライブ領域をレジストで覆った状態でエッチングすることで、酸化膜14をパターニングする。または、水素アニールを行うことで、酸化膜14のうちトレンチ15の開口部周辺に形成された部分を後退させる。例えば、10.6kPa(80Torr)以下の減圧雰囲気において、温度を1100℃とし時間を10分間とした水素アニールや、温度を1170℃とし時間を2分間とした水素アニールを行うことで、酸化膜14のうちのトレンチ15の開口部周辺を除去できる。
For example, after a resist is again arranged on the
その後、半導体基板10の表面側において、凹部12aおよびトレンチ15内を含めn-型層12の表面に、例えばp型不純物濃度が2×1015〜5×1015cm-3となるように第2半導体層に相当するp-型層16をエピタキシャル成長させる。このとき、凹部12aおよび各トレンチ15内が完全に埋め込まれるようにしつつ、n-型層12の上にもp-型層16が形成されるようなオーバーエピタキシャル成長とし、例えばn-型層12の上に5〜7μm程度の厚みでp-型層16を形成する。
Thereafter, on the surface side of the
〔図3(a)に示す工程〕
まず、p-型層16のうち酸化膜14よりも半導体基板10から突き出した部分、すなわちn-型層12に形成された凹部12a以外の凸状部分から突き出した部分をCMP(Chemical Mechanical Polishing)などの表面の平坦化研磨によって除去する。このときには、研磨対象となるp-型層16と異なる酸化膜14を終点検出用のストッパとして用いることができるため、精度良く平坦化研磨を停止できる。
[Step shown in FIG. 3 (a)]
First, a portion of the p − type layer 16 that protrudes from the
続いて、酸化膜14をエッチングする。これにより、スクライブ領域やメイン領域におけるスクライブ領域の近傍において酸化膜14が除去されて、露出したn-型層12とp-型層16との間に段差が形成される。このため、再度CMPなどによる表面の平坦化研磨を行うことで、当該段差が無くなるようにn-型層12およびp-型層16を平坦化研磨する。これにより、p-型層16のうちトレンチ15内に形成された部分によってSJ構造におけるp型カラムが構成されると共に、SJ構造の上にもp-型層16が同時に形成された構造が完成する。
Subsequently, the
なお、この表面平坦化の際に、n-型層12およびp-型層16という同じ半導体材料(シリコン)の研磨加工となるため、表面平坦化のストッパとなるものが無い。しかしながら、酸化膜14の膜厚が0.2〜0.3μmと非常に薄いため、ストッパが無くても時間制御などだけで大きなバラツキなく平坦化研磨が行える。また、PNカラムの表面とp-型層16との構造間の処理を行う訳ではないので、仮に多少のバラツキがあったとしても、半導体装置の耐圧が大きくばらつくことも無い。
In addition, since the same semiconductor material (silicon) as the n − -
〔図3(b)に示す工程〕
この後の工程については従来と同様であるが、例えば以下の製造工程を行っている。すなわち、n型カラムを構成するn-型層12の上におけるp-型層16の表層部にp型不純物をイオン注入してp-型チャネル層17を形成する。また、p-型チャネル層17の表層部にn型不純物をイオン注入してn+型ソース領域18を形成する。このとき、必要に応じて、メイン領域の外縁部において凸状に残された部分にもn型不純物をイオン注入し、n+型層27を形成することで、n-型層12との導通を図ることができ、このn+型層27を通じてn-型層12を所定電位に固定することができる。
[Step shown in FIG. 3B]
The subsequent steps are the same as in the prior art, but the following manufacturing steps are performed, for example. That is, the p −
このように、メイン領域の外縁部に凸部を残し、n+型層27を形成して電位固定できるようにすることで、外周領域において所望の耐圧を確保できる。つまり、もしもこの凸部がない構造の場合、n-型層12の表面側の電位を固定できず、所望の耐圧を確保することができない。
In this manner, by leaving a convex portion at the outer edge of the main region and forming the n + -
また、p-型チャネル層17のうちのp型カラムの上に形成された部分を中心としてp型不純物をイオン注入することでp+型ボディ層19を形成すると共に、このp+型ボディ層19の表層部にp+型コンタクト領域20を形成する。また、p-型チャネル層17を貫通してn-型層12のうちn型カラムを構成する部分に達するゲートトレンチ21を形成する。さらに、ゲートトレンチ21の内壁面を覆うようにゲート絶縁膜22を形成すると共に、ゲートトレンチ21内を埋め込むようにゲート絶縁膜22上にゲート電極23を形成する。また、半導体基板10の表面側において、層間絶縁膜24の形成工程やゲート配線およびソース電極25の形成工程を行う。そして、半導体基板10の裏面側において、n+型シリコン基板11の裏面11bに接続されるドレイン電極26の形成工程を行うことにより、nチャネルのトレンチゲート型の縦型MOSFETが形成される。その後、ダイシングによりチップ単位に分割することでSJ構造の縦型MOSFETを備えた半導体装置が完成する。
Further, p - the p-type impurity around a portion formed on the p-type column of the
以上説明した本実施形態にかかる半導体装置の製造方法によれば、n-型層12に凹部12aを形成しておき、トレンチ15を埋め込むようにp-型層16を形成する際に、凹部12a内も埋め込まれるようにしている。このため、p-型層16のうち凹部12a内に形成された部分をSJ構造の上に形成されるp型層として用いることができる。
According to the manufacturing method of the semiconductor device according to the present embodiment described above, when the
このため、p型カラムを形成するためのp型層とSJ構造の上に形成されるp型層を同じp-型層16によって構成することができ、同時に形成することができるので、製造工程の簡略化を図ることができる。また、SJ構造を構成してからSJ構造の上のp型層を形成する場合のように、PNカラムの表面の平坦化研磨が行われないし、平坦化研磨やウェハ洗浄などのPNカラムの表面とp-型層16との構造間の処理を行う必要がない。よって、半導体装置の耐圧がばらつくことを抑制でき、デバイス特性の悪化を抑制することが可能となる。
Therefore, the p-type layer for forming the p-type column and the p-type layer formed on the SJ structure can be constituted by the same p − -
さらに、凹部12aの形成工程を、スクライブ領域に形成されるアライメントのターゲットとなる凹部12bの形成と同時に行うようにしている。このため、凹部12aの形成工程と凹部12bの形成工程を共通化することができ、さらに製造工程の簡略化を図ることが可能となる。
Further, the step of forming the
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対して半導体装置に形成される縦型MOSFETをプレーナ型に変更したものであり、その他については第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described. This embodiment is different from the first embodiment in that the vertical MOSFET formed in the semiconductor device is changed to a planar type with respect to the first embodiment, and the others are the same as the first embodiment. Only the part will be described.
図4を参照して、本実施形態にかかる縦型MOSFETの製造方法について説明する。 With reference to FIG. 4, the manufacturing method of the vertical MOSFET concerning this embodiment is demonstrated.
まず、第1実施形態で説明した図1(a)、(b)、図2(a)、(b)の工程を行ったのち、図4(a)の工程として、第1実施形態で説明した図3(a)と同様の工程を行う。これにより、半導体基板10の表面側において、凹部12aおよびトレンチ15内を含めn-型層12の表面にp-型層16をエピタキシャル成長させ、さらにp-型層16が凹部12a内に残された構造が構成される。つまり、SJ構造を構成するp型カラムおよびSJ構造の上にp-型層16が既に形成された構造が形成される。これらの工程は基本的に第1実施形態と全く同じで構わない。ただし、SJ構造の上に残るp-型層16の膜厚については、後述するn型接続層30をイオン注入によって形成する際に、SJ構造上のp-型層16を貫通してn型接続層30が形成できる程度の膜厚となるようにしている。
First, after performing the steps of FIGS. 1A, 1B, 2A, and 2B described in the first embodiment, the steps of FIG. 4A will be described in the first embodiment. The same process as in FIG. As a result, on the surface side of the
そして、図4(b)に示す工程において、プレーナ型の縦型MOSFETの各構成要素を形成するための製造工程を行う。 Then, in the process shown in FIG. 4B, a manufacturing process for forming each component of the planar type vertical MOSFET is performed.
すなわち、SJ構造上のp-型層16の表層部にp型不純物をイオン注入してp-型チャネル層17を形成すると共に、p-型チャネル層17の表層部にn型不純物をイオン注入してn+型ソース領域18を形成する。また、p-型チャネル層17のうちp-型層16の上に形成された部分を中心としてp型不純物をイオン注入することでp+型ボディ層19を形成すると共に、このp+型ボディ層19の表層部にp+型コンタクト領域20を形成する。さらに、各p+型コンタクト領域20の間に配置された隣り合うn+型ソース領域18の間において、n+型ソース領域18から所定間隔離間した位置にn型不純物をイオン注入することで、p-型チャネル層17からn-型層12に達するn型接続層30を形成する。このn型接続層30は、p-型チャネル層17におけるチャネル形成部に接しつつp-型層16を貫通してn-型層12のうちn型カラムを構成する部分に達するように形成される。このため、n型接続層30は、プレーナ型の縦型MOSFETが動作する際の電流経路となってオン抵抗を低減させる役割を果たす。
Ie, p on SJ structure - by ion-implanting the p-type impurity in a surface portion of the mold layer 16 p - to form a
さらに、少なくともp-型チャネル層17の表面を覆うゲート絶縁膜22を形成すると共に、ゲート絶縁膜22上にゲート電極23を形成する。また、半導体基板10の表面側において、層間絶縁膜24の形成工程やゲート配線およびソース電極25の形成工程を行う。そして、半導体基板10の裏面側において、n+型シリコン基板11の裏面11bに接続されるドレイン電極26の形成工程を行うことにより、nチャネルのプレーナ型の縦型MOSFETが形成される。その後、ダイシングによりチップ単位に分割することでSJ構造のプレーナ型の縦型MOSFETを備えた半導体装置が完成する。
Further, a
このように、第1実施形態と同様の製造方法をプレーナ型の縦型MOSFETを備えた半導体装置についても適用することができ、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。 As described above, the same manufacturing method as that of the first embodiment can be applied to the semiconductor device including the planar type vertical MOSFET, and the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
(第3実施形態)
本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態は、第2実施形態に対して半導体装置の外周耐圧構造を考慮に入れた製造方法としたものであり、その他については第2実施形態と同様であるため、第2実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
(Third embodiment)
A third embodiment of the present invention will be described. The present embodiment is a manufacturing method that takes into account the peripheral breakdown voltage structure of the semiconductor device with respect to the second embodiment, and is otherwise the same as the second embodiment, and is different from the second embodiment. Only the part will be described.
図5〜図7を参照して、本実施形態にかかる縦型MOSFETの製造方法、つまりSJ構造を有するプレーナ型の縦型MOSFETを備えた半導体装置において、外周耐圧構造の形成工程も含めた製造方法について説明する。 Referring to FIGS. 5 to 7, a vertical MOSFET manufacturing method according to the present embodiment, that is, a semiconductor device including a planar vertical MOSFET having an SJ structure, including a step of forming an outer peripheral breakdown voltage structure. A method will be described.
まず、図5(a)に示す工程では、表面11aおよび裏面11bを有する半導体材料で構成された基板としてのn+型シリコン基板11の表面11aに、第1半導体層に相当するn-型層12をエピタキシャル成長させたものを用意する。そして、第1実施形態で説明した図1(b)に示す工程を行って、凹部12a、12bを形成する。続いて、図示しないマスクを用いたフォトエッチング工程により、n-型層12のうち外周領域に相当する部分に凹部12cを形成する。具体的には、メイン領域のうちの縦型MOSFETが形成される領域をセル領域として、その外周領域においてリサーフ層を形成することによって外周耐圧構造とするが、このリサーフ層となる部分において凹部12cを形成している。
First, in the step shown in FIG. 5A, an n − -type layer corresponding to the first semiconductor layer is formed on the
その後、図5(b)に示す工程では、凹部12c内を埋め込むようにn-型層12の表面にp-型層16をエピタキシャル成長させ、必要に応じて表面を平坦化研磨する。このとき、例えばn-型層12の表面にp-型層16が3〜7μmの膜厚で残るようにしている。これにより、凹部12c内において凹部12cが形成されていない部分よりもp-型層16が厚くされた半導体基板10が形成される。
Thereafter, in the step shown in FIG. 5B, the p − -
この後は、図6(a)、(b)、図7(a)、(b)に示す工程において、第1、第2実施形態で説明した図2(a)、(b)、図4(a)、(b)と同様の工程を行う。これにより、外周耐圧構造として、セル領域よりも外周領域において、p-型層16が深くまで形成されることでリサーフ層40が構成されたSJ構造のプレーナ型の縦型MOSFETを備えた半導体装置が完成する。
Thereafter, in the steps shown in FIGS. 6A, 6B, 7A, and 7B, FIGS. 2A, 2B, and 4 described in the first and second embodiments. Steps similar to (a) and (b) are performed. Thereby, as a peripheral breakdown voltage structure, a semiconductor device provided with a planar vertical MOSFET of SJ structure in which the RESURF layer 40 is formed by forming the p − -
このように、外周耐圧構造としてリサーフ層を形成する場合を考慮した製造方法とすることもできる。このようにしても、第2実施形態と同様の効果を得ることができる。 Thus, it can also be set as the manufacturing method which considered the case where a RESURF layer is formed as an outer periphery pressure | voltage resistant structure. Even if it does in this way, the effect similar to 2nd Embodiment can be acquired.
なお、第2実施形態でもp-型層16を外周領域にも形成しているため、凹部12cを形成しなくても、第2実施形態に示した製造方法によって外周領域にリサーフ層40を構成することができる。しかしながら、図7(a)に示したように、p-型層16の表面の平坦化研磨を行ったときに、n-型層12が露出する程度までp-型層16が除去されてしまうことも有り得る。その場合においても、図7(b)と同様の工程を行うことで、SJ構造のプレーナ型の縦型MOSFETを備えた半導体装置を製造することができる。その場合、外周領域にp-型層16が残らなくなりリサーフ層40を構成することができなくなる。このため、本実施形態のようにn-型層12に凹部12cを形成しておき、予め外周領域においてセル領域よりもp-型層16を厚く形成しておくことで、確実にリサーフ層40が構成されるようにすることができる。
Since the p − type layer 16 is also formed in the outer peripheral region in the second embodiment, the RESURF layer 40 is formed in the outer peripheral region by the manufacturing method shown in the second embodiment without forming the
また、n-型層12の表面が露出する程度まで平坦化研磨を行った場合、n-型層12も研磨され得るのでPNカラムの深さにバラツキが生じる可能性がある。しかしながら、n型接続層30によって低オン抵抗化が図れるため、p-型層16が残るような条件で平坦化研磨を行えば良く、従来のようにn-型層12を露出させることが必須の構成ではない。このため、仮にn-型層12が研磨されたとしても研磨量は非常に少なく、殆どPNカラムの深さのバラツキによる耐圧バラツキは生じないで済む。
Further, when planarization polishing is performed to such an extent that the surface of the n − -
(他の実施形態)
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the embodiment described above, and can be appropriately changed within the scope described in the claims.
例えば、上記第3実施形態に示すように外周耐圧構造を考慮に入れた製造方法を第1実施形態に示したようなトレンチゲート型の縦型MOSFETを備えた半導体装置の製造方法に適用することもできる。具体的には、第3実施形態で説明した図7(a)の工程まで行ったのち、第1実施形態で説明した図3(b)と同様の工程を行うことで、図8に示すようなトレンチゲート型の縦型MOSFETとする。このように、トレンチゲート型の縦型MOSFETを備えた半導体装置を製造する際にも、n-型層12に予め凹部12cを形成しておくことで、平坦化研磨後にも少なくとも凹部12c内にp-型層16が残る。これにより、リサーフ層40が構成されるようにでき、第3実施形態と同様の効果を得ることができる。
For example, as shown in the third embodiment, the manufacturing method taking into account the peripheral withstand voltage structure is applied to the manufacturing method of the semiconductor device including the trench gate type vertical MOSFET as shown in the first embodiment. You can also. Specifically, after performing the process up to FIG. 7A described in the third embodiment, the same process as that in FIG. 3B described in the first embodiment is performed, as shown in FIG. A trench gate type vertical MOSFET is used. As described above, even when a semiconductor device including a trench gate type vertical MOSFET is manufactured, by forming the
また、上記各実施形態では、第1導電型をn型、第2導電型をp型としたnチャネルタイプのMOSFETを例に挙げて説明したが、各構成要素の導電型を反転させたpチャネルタイプのMOSFETに対しても本発明を適用することができる。 In each of the above-described embodiments, an n-channel type MOSFET in which the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type has been described as an example. The present invention can also be applied to a channel type MOSFET.
また、上記実施形態では、メイン領域とスクライブ領域との間において段差が形成されるように第1凹部12aを形成したが、これらの領域の間以外の場所に段差が形成されるように第1凹部12aを形成しても良い。例えば、チップ単位に分割する前のウェハにおいては、メイン領域およびスクライブ領域の他に、これらの外周部においてチップ化されない不要領域が存在する。このため、メイン領域およびスクライブ領域と不要領域との間に段差が形成されるように、例えばメイン領域およびスクライブ領域を含むように第1凹部12aを形成しても良い。また、メイン領域のうちの外周部に段差が形成されるようにしても良い。その場合、メイン領域の少なくとも一部、具体的にはセル領域を含むように第1凹部12aを形成すれば良い。
Moreover, in the said embodiment, although the 1st recessed
さらに、上記実施形態では、SJ構造を形成する際のPNカラムの深さのバラツキを抑制できるように、第1凹部12aを形成する場合を例に挙げて説明した。しかしながら、平坦化研磨などの構造間の処理に基づくp-型層16の異常成長に関しては、第1凹部12aを形成するか否かにかかわらず抑制可能である。すなわち、n-型層12に形成したトレンチ15内にp-型層16を埋め込みつつ、更に引き続きn-型層12のうちトレンチ15の外側の部分の上にもp-型層16を形成することで、p-型層16の異常成長を抑制でき、デバイス特性の悪化を抑制することが可能となる。
Furthermore, in the above embodiment, the case where the
10 半導体基板
11 n+型シリコン基板(基板)
12 n-型層(第1半導体層)
12a〜12c 凹部
13、14 酸化膜(マスク)
15 トレンチ
16 p-型層
17 p型チャネル層
18 n+型ソース領域
23 ゲート電極
24 層間絶縁膜
25 ソース電極
26 ドレイン電極
30 n型接続層
10 Semiconductor substrate 11 n + type silicon substrate (substrate)
12 n - -type layer (first semiconductor layer)
12a to
15 trench 16 p − type layer 17 p type channel layer 18 n +
Claims (12)
前記第1半導体層のうち縦型MOSFETを形成してチップとして用いるメイン領域の少なくとも一部を含むように第1凹部(12a)を形成することで、前記第1半導体層に段差を付ける工程と、
前記第1凹部内を含めて前記第1半導体層の上にマスク(14)を配置し、該マスクを用いて前記メイン領域における前記第1凹部内において、前記第1半導体層をエッチングすることでトレンチ(15)を形成する工程と、
前記マスクのうちの少なくとも前記第1凹部内に形成されている部分を除去したのち、前記トレンチ内および前記第1凹部内を埋め込みつつ前記第1半導体層の上に、第2導電型の第2半導体層(16)をエピタキシャル成長させる工程と、
前記第2半導体層を平坦化研磨することで、前記第2半導体層を前記トレンチおよび前記第1凹部に残し、前記トレンチ内に残された前記第2半導体層による第2導電型カラムと前記第1半導体層による第1導電型カラムとが交互に繰り返されたPNカラムを有するスーパージャンクション構造を形成する工程と、
前記スーパージャンクション構造の上に、第2導電型のチャネル層(17)と該チャネル層に接する第1導電型のソース領域(18)を形成すると共に、前記チャネル層の表面にゲート絶縁膜(22)を介してゲート電極(23)を形成し、さらに前記半導体基板の表面側に前記ソース領域に電気的に接続されるソース電極(25)を形成すると共に、前記半導体基板の裏面側に前記基板の裏面に接続されるドレイン電極(26)を形成することで縦型MOSFETを形成する工程と、を含んでいることを特徴とするスーパージャンクション構造の縦型MOSFETを有する半導体装置の製造方法。 Preparing a semiconductor substrate (10) having a first semiconductor layer (12) of the first conductivity type formed on a surface (11a) side of a substrate (11) made of a semiconductor material;
Forming a step in the first semiconductor layer by forming a first recess (12a) so as to include at least a part of a main region used as a chip by forming a vertical MOSFET in the first semiconductor layer. ,
A mask (14) is disposed on the first semiconductor layer including the inside of the first recess, and the first semiconductor layer is etched in the first recess in the main region using the mask. Forming a trench (15);
After removing at least a portion of the mask formed in the first recess, a second conductivity type second layer is formed on the first semiconductor layer while filling the trench and the first recess. Epitaxially growing the semiconductor layer (16);
By planarizing and polishing the second semiconductor layer, the second semiconductor layer is left in the trench and the first recess, and the second conductivity type column is formed by the second semiconductor layer left in the trench and the second semiconductor layer. Forming a super junction structure having a PN column in which a first conductivity type column of one semiconductor layer is alternately repeated;
A second conductivity type channel layer (17) and a first conductivity type source region (18) in contact with the channel layer are formed on the super junction structure, and a gate insulating film (22) is formed on the surface of the channel layer. ), A source electrode (25) electrically connected to the source region is formed on the front surface side of the semiconductor substrate, and the substrate is formed on the back surface side of the semiconductor substrate. Forming a vertical MOSFET by forming a drain electrode (26) connected to the back surface of the semiconductor device. A method of manufacturing a semiconductor device having a vertical MOSFET having a super junction structure.
前記第2半導体層を形成する工程では、前記第3凹部内を埋め込むように前記第1半導体層の上に前記第2半導体層を形成することを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1つに記載のスーパージャンクション構造の縦型MOSFETを有する半導体装置の製造方法。 Before the step of forming the second semiconductor layer, there is a step of forming a third recess (12c) in an outer peripheral region that is a peripheral region of the cell region in which the vertical MOSFET is formed in the first semiconductor layer. And
7. The step of forming the second semiconductor layer, wherein the second semiconductor layer is formed on the first semiconductor layer so as to fill the third recess. The manufacturing method of the semiconductor device which has vertical MOSFET of the super junction structure as described in one.
前記第1半導体層にて構成される第1導電型カラムの上において、第2導電型不純物をイオン注入して前記チャネル層を形成する工程と、
前記チャネル層の表層部に第1導電型不純物をイオン注入して前記ソース領域を形成する工程と、
前記チャネル層を貫通して前記第1導電型カラムに達するゲートトレンチ(21)を形成する工程と、
前記ゲートトレンチの内壁面に前記ゲート絶縁膜を形成すると共に、前記ゲート絶縁膜の表面に前記ゲート電極を形成する工程と、を含む、トレンチゲート型の縦型MOSFETを形成する工程であることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1つに記載のスーパージャンクション構造の縦型MOSFETを有する半導体装置の製造方法。 The step of forming the vertical MOSFET includes:
Forming a channel layer by ion-implanting a second conductivity type impurity on a first conductivity type column composed of the first semiconductor layer;
Forming a source region by ion-implanting a first conductivity type impurity into a surface layer portion of the channel layer;
Forming a gate trench (21) passing through the channel layer and reaching the first conductivity type column;
Forming the gate insulating film on the inner wall surface of the gate trench and forming the gate electrode on the surface of the gate insulating film, and forming a trench gate type vertical MOSFET. 8. A method of manufacturing a semiconductor device having a super junction structure vertical MOSFET according to claim 1.
前記第1半導体層にて構成される第1導電型カラムの上において、第2導電型不純物をイオン注入して前記チャネル層を形成する工程と、
前記チャネル層の表層部に第1導電型不純物をイオン注入して前記ソース領域を形成する工程と、
前記ソース領域から所定間隔離間した位置に第1導電型不純物をイオン注入して、前記チャネル層から前記第1半導体層に達する第1導電型接続層(30)を形成する工程と、
前記チャネル層の表面に前記ゲート絶縁膜を形成すると共に、前記ゲート絶縁膜の表面に前記ゲート電極を形成する工程と、を含む、プレーナ型の縦型MOSFETを形成する工程であることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1つに記載のスーパージャンクション構造の縦型MOSFETを有する半導体装置の製造方法。 The step of forming the vertical MOSFET includes:
Forming a channel layer by ion-implanting a second conductivity type impurity on a first conductivity type column composed of the first semiconductor layer;
Forming a source region by ion-implanting a first conductivity type impurity into a surface layer portion of the channel layer;
Ion-implanting a first conductivity type impurity at a position spaced apart from the source region to form a first conductivity type connection layer (30) reaching the first semiconductor layer from the channel layer;
Forming the gate insulating film on the surface of the channel layer and forming the gate electrode on the surface of the gate insulating film, and forming a planar type vertical MOSFET. A method for manufacturing a semiconductor device comprising a vertical MOSFET having a super junction structure according to any one of claims 1 to 7.
前記第1半導体層の上にマスク(14)を配置したのち、該第1半導体層のうち縦型MOSFETを形成してチップとして用いるメイン領域において該第1半導体層をエッチングすることでトレンチ(15)を形成する工程と、
前記トレンチ内を埋め込みつつ、前記第1半導体層のうち前記トレンチの外側の部分の上にも、第2導電型の第2半導体層(16)をエピタキシャル成長させることで、前記トレンチ内に残された前記第2半導体層による第2導電型カラムと前記第1半導体層による第1導電型カラムとが交互に繰り返されたPNカラムを有するスーパージャンクション構造を形成する工程と、
前記スーパージャンクション構造の上に、第2導電型のチャネル層(17)と該チャネル層に接する第1導電型のソース領域(18)を形成すると共に、前記チャネル層の表面にゲート絶縁膜(22)を介してゲート電極(23)を形成し、さらに前記半導体基板の表面側に前記ソース領域に電気的に接続されるソース電極(25)を形成すると共に、前記半導体基板の裏面側に前記基板の裏面に接続されるドレイン電極(26)を形成することで縦型MOSFETを形成する工程と、を含んでいることを特徴とするスーパージャンクション構造の縦型MOSFETを有する半導体装置の製造方法。 Preparing a semiconductor substrate (10) having a first semiconductor layer (12) of the first conductivity type formed on a surface (11a) side of a substrate (11) made of a semiconductor material;
After the mask (14) is disposed on the first semiconductor layer, a trench (15) is formed by etching the first semiconductor layer in a main region used as a chip by forming a vertical MOSFET in the first semiconductor layer. )
The second conductivity type second semiconductor layer (16) is also epitaxially grown on the portion of the first semiconductor layer outside the trench while being buried in the trench, thereby remaining in the trench. Forming a super junction structure having a PN column in which a second conductivity type column of the second semiconductor layer and a first conductivity type column of the first semiconductor layer are alternately repeated;
A second conductivity type channel layer (17) and a first conductivity type source region (18) in contact with the channel layer are formed on the super junction structure, and a gate insulating film (22) is formed on the surface of the channel layer. ), A source electrode (25) electrically connected to the source region is formed on the front surface side of the semiconductor substrate, and the substrate is formed on the back surface side of the semiconductor substrate. Forming a vertical MOSFET by forming a drain electrode (26) connected to the back surface of the semiconductor device. A method of manufacturing a semiconductor device having a vertical MOSFET having a super junction structure.
前記第1半導体層の一部がエッチングされて形成された第1凹部(12a)と、
前記第1凹部により前記第1半導体層に形成された段差によって構成され、前記第1半導体層のうち前記第1凹部の外側に位置している凸部と、
前記第1凹部内において前記第1半導体層がエッチングされることで形成されたトレンチ(15)と、
前記トレンチ内および前記第1凹部内を埋め込みつつ前記第1半導体層の上にエピタキシャル成長させられた第2導電型の第2半導体層(16)とを有し、
前記トレンチ内の前記第2半導体層による第2導電型カラムと前記第1半導体層による第1導電型カラムとが交互に繰り返されたPNカラムを有するスーパージャンクション構造が構成されていると共に、
前記スーパージャンクション構造の上に、第2導電型のチャネル層(17)と該チャネル層に接する第1導電型のソース領域(18)と、前記チャネル層の表面にゲート絶縁膜(22)を介して形成されたゲート電極(23)と、前記ソース領域に電気的に接続されるソース電極(25)とが備えられ、かつ、前記半導体基板の裏面側に前記基板の裏面に接続されるドレイン電極(26)が備えられた縦型MOSFETが形成されていることを特徴とするスーパージャンクション構造の縦型MOSFETを有する半導体装置。 A semiconductor substrate (10) in which a first semiconductor layer (12) of a first conductivity type is formed on a surface (11a) side of a substrate (11) made of a semiconductor material;
A first recess (12a) formed by etching a part of the first semiconductor layer;
A protrusion formed by a step formed in the first semiconductor layer by the first recess, the protrusion being located outside the first recess in the first semiconductor layer;
A trench (15) formed by etching the first semiconductor layer in the first recess;
A second semiconductor layer of a second conductivity type (16) epitaxially grown on the first semiconductor layer while filling the trench and the first recess,
A super junction structure having a PN column in which a second conductivity type column by the second semiconductor layer in the trench and a first conductivity type column by the first semiconductor layer are alternately repeated;
On the super junction structure, a second conductivity type channel layer (17), a first conductivity type source region (18) in contact with the channel layer, and a gate insulating film (22) on the surface of the channel layer. A drain electrode connected to the back surface of the semiconductor substrate on the back surface side of the semiconductor substrate, and a gate electrode (23) formed in this manner and a source electrode (25) electrically connected to the source region A semiconductor device having a vertical MOSFET having a super junction structure, wherein the vertical MOSFET provided with (26) is formed.
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