JP6235298B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に高電圧、大電流、低オン抵抗が要求される用途に好適なトレンチゲート型MOSFETに関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly to a trench gate type MOSFET suitable for applications requiring high voltage, large current, and low on-resistance.
近年、高電圧、大電流、低オン抵抗が要求されるスイッチング半導体装置として、トレンチゲート構造を有するMOSFETが用いられている。図9は、従来のトレンチゲート型MOSFETの断面図である。図9に示すように、トランジスタ部ではn型半導体領域からなるドレイン領域1上に、p型不純物イオンを添加して形成したチャネル領域2、チャネル領域2内にn型不純物イオンを添加して形成したソース領域3が形成された半導体基板上に、その表面からソース領域3、チャネル領域2を貫通して、ドレイン領域1に達するトレンチ溝4が形成されている。
In recent years, MOSFETs having a trench gate structure have been used as switching semiconductor devices that require high voltage, large current, and low on-resistance. FIG. 9 is a cross-sectional view of a conventional trench gate type MOSFET. As shown in FIG. 9, in the transistor portion, a
トレンチ溝4内には、その表面を熱酸化することによって形成した熱酸化膜からなるゲート絶縁膜5を介してポリシリコンからなるゲート電極6が埋め込まれている。このゲート電極6は、ゲート電極引き出し部においてゲート電極引き出す電極7により半導体装置の表面側に引き出される。
In the
このように形成されるトレンチゲート型MOSFETでは、トレンチ溝4表面のコーナー部8のゲート絶縁膜5の膜厚が、薄くなってしまうことが知られている。また、トレンチ溝4は、図10に模式的に示すように、深さ方向に向かって、一旦開口寸法が広がり、その後狭くなる形状となっているため、コーナー部8が鋭角となり、電界集中が発生し、ゲート絶縁膜5の絶縁破壊の原因となっていた。
In the trench gate type MOSFET formed in this way, it is known that the film thickness of the
このような問題点を解消するには、ゲート絶縁膜を厚く形成する必要がある。そのため、ゲート酸化膜の形成温度を1000℃を越える高温にしたり、特別な処理を加えて、ゲート酸化膜を厚くする方法が提案されている。後者の一例として特許文献1には、トレンチ溝表面にゲート酸化膜を形成する際、塩酸希釈酸化法によりゲート酸化膜を形成する方法が記載されている。この方法によれば、トレンチ溝表面のコーナー部は、高濃度にドープされた不純物による増速酸化の効果により、その部分だけトレンチ内部のゲート絶縁膜の厚さより厚く形成することができる。
In order to solve such problems, it is necessary to form a thick gate insulating film. For this reason, methods have been proposed in which the gate oxide film is formed at a high temperature exceeding 1000 ° C. or a special process is applied to thicken the gate oxide film. As an example of the latter,
ゲート酸化膜を厚くする方法として、ゲート酸化膜を1000℃を越える高温で形成する方法では、この熱処理によってチャネル領域2の熱拡散が生じるため、半導体装置の特性ばらつきが大きくなってしまうという問題が生じていた。
As a method of increasing the thickness of the gate oxide film, in the method of forming the gate oxide film at a high temperature exceeding 1000 ° C., the thermal diffusion of the
また特許文献1に記載の方法では、酸化のための特別な工程を追加する必要があり、製造コストの増加を招くという問題が生じていた。さらに、トレンチ溝の開口部に厚いゲート絶縁膜を形成して、開口寸法を狭くした後、トレンチ溝内にゲート電極となるポリシリコンを充填する必要がある。
Moreover, in the method described in
近年、微細化が求められる中では、厚いゲート絶縁膜の開口寸法はますますが狭くなり、トレンチ溝内にゲート電極が充填できなくなってしまうという問題があった。本発明は、このような問題点を解消し、狭ピッチのトレンチ溝であっても容易に形成することができるトレンチゲート型MOSFETおよびその製造方法を提供することを目的とする。 In recent years, as the miniaturization is required, the opening size of the thick gate insulating film becomes increasingly narrow, and there is a problem that the gate electrode cannot be filled in the trench groove. An object of the present invention is to solve such problems and to provide a trench gate type MOSFET that can be easily formed even in a trench groove having a narrow pitch, and a method for manufacturing the same.
上記目的を達成するため、本願請求項1に係る発明は、第1導電型の第1の半導体領域と、該第1の半導体領域上に積層した第2導電型の第2の半導体領域と、該第2の半導体領域上に積層した第1導電型の第3の半導体領域を備えた半導体基板と、該半導体基板表面の前記第3の半導体領域から前記第2の半導体領域を貫き前記第1の半導体領域に達するトレンチ溝と、該トレンチ溝表面に形成されたゲート絶縁膜を介して前記トレンチ溝内に充填されたゲート電極とを有する半導体装置において、前記トレンチ溝表面のコーナー部に形成された絶縁膜は、前記トレンチ溝内に充填された前記ゲート電極の一部と前記半導体基板表面の一部が酸化した絶縁膜を含み、前記ゲート絶縁膜より、上方に向かってトレンチ溝の中心方向に徐々に厚くなることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the invention according to
本願請求項2に係る発明は、第1導電型の第1の半導体領域と、該第1の半導体領域上に積層した第2導電型の第2の半導体領域とを備えた半導体基板を用意する工程と、該半導体基板表面から、前記第2の半導体領域を貫き前記第1の半導体領域に達するトレンチ溝を形成する工程と、トレンチ溝表面を酸化し、ゲート絶縁膜を形成する工程と、該ゲート絶縁膜を介して前記トレンチ溝内に、ゲート電極を充填する工程と、前記ゲート電極の一部及び前記第2の半導体領域の一部を酸化し、前記トレンチ溝表面のコーナー部に、上方に向かってトレンチ溝の中心方向に徐々に厚くなる厚い絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート電極を前記半導体基板表面に引き出すゲート引き出し部の酸化されずに残る前記ゲート電極に接続するゲート電極引き出し電極を形成する工程と、前記半導体基板表面の前記第2の半導体領域表面に、第1導電型の第3の半導体領域を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
The invention according to
本願請求項3に係る発明は、請求項2記載の半導体装置の製造方法において、前記半導体基板表面に耐酸化膜を被覆した後、前記トレンチ溝形成予定領域を開口する耐酸化マスク膜を形成する工程と、該耐酸化マスク膜をエッチングマスクとして使用し、前記トレンチ溝を形成する工程と、該耐酸化マスク膜をマスクとして使用し、前記トレンチ溝表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、該ゲート絶縁膜を介して前記トレンチ溝内および前記耐酸化マスク膜間に、ゲート電極を充填する工程と、前記耐酸化マスク膜間および前記トレンチ溝内の前記ゲート電極の一部と、前記第2の半導体領域の一部を酸化し、前記トレンチ溝表面のコーナー部に、上方に向かってトレンチ溝の中心方向に徐々に厚くなる厚い絶縁膜を形成する工程と、前記トレンチ溝から突出する前記酸化されずに残る前記ゲート電極に接続する前記ゲート電極引き出し電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the second aspect , after the surface of the semiconductor substrate is coated with an oxidation resistant film, an oxidation resistant mask film that opens the trench trench formation region is formed. Using the oxidation-resistant mask film as an etching mask and forming the trench groove, using the oxidation-resistant mask film as a mask and forming a gate insulating film on the trench groove surface; A step of filling a gate electrode in the trench groove and between the oxidation-resistant mask films via a gate insulating film, a portion of the gate electrode between the oxidation-resistant mask films and in the trench groove, and the second oxidizing a portion of the semiconductor region, the corner portion of the trench surface, forming a thick insulating film gradually becomes thicker towards the center of the trench upwardly, the bets Characterized in that it comprises a step of forming the gate electrode lead-out electrode to which the connecting to the gate electrode remains without being oxidized to protrude from the wrench groove, the.
本発明の半導体装置は、トレンチ溝表面のコーナー部に形成された絶縁膜が、トレンチ溝4の内部のゲート絶縁膜より厚い構成となっているため、特にゲート電極引き出し部では、電界集中を緩和し、コーナー部の絶縁膜が絶縁破壊に至ることを防止する。また、トランジスタ部では、ソース領域3を形成する際に、トレンチ側面に斜めから注入されるイオンを遮蔽することができるので、半導体基板表面からの注入イオンのみによりチャネル領域3の深さが決まり、特性ばらつきを抑えることができるという利点がある。
In the semiconductor device of the present invention, since the insulating film formed at the corner portion of the trench groove surface is thicker than the gate insulating film inside the
本発明の半導体装置の製造方法は、1000℃を越えるような高温の加熱処理を必要としないため、熱処理による不純物の再拡散等がなく、特性ばらつきのない半導体装置を形成することができるという利点がある。また、厚い絶縁膜を形成する前にトレンチ溝内にゲート電極を充填するため、狭ピッチのトレンチ構造をとる半導体装置においても、トレンチ溝内にゲート電極を確実に充填することができる。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention does not require high-temperature heat treatment exceeding 1000 ° C., so that there is no re-diffusion of impurities due to heat treatment, and a semiconductor device having no characteristic variation can be formed. There is. In addition, since the gate electrode is filled in the trench groove before the thick insulating film is formed, the gate electrode can be reliably filled in the trench groove even in a semiconductor device having a narrow pitch trench structure.
また、ゲート電極を形成する際、半導体表面を越えてトレンチ溝に充填し、厚い絶縁膜を形成するため熱酸化を行うと、酸化されずに残るゲート電極がトレンチ溝表面から突出した構造となり、ゲート引き出し電極と確実に接続させることができる。 Also, when forming the gate electrode, filling the trench groove beyond the semiconductor surface and performing thermal oxidation to form a thick insulating film, the gate electrode remaining unoxidized protrudes from the trench groove surface, The gate lead electrode can be reliably connected.
本発明の半導体装置は、トレンチ溝表面のコーナー部に形成された絶縁膜が、トレンチ溝内に充填された前記ゲート電極の一部とチャネル領域2を構成する半導体領域の一部が酸化した絶縁膜を含み、トレンチ溝4の内部のゲート絶縁膜より厚い構成となっている。この厚い絶縁膜は、ゲート電極引き出し部では、電界集中を緩和し、コーナー部の絶縁膜が絶縁破壊に至ることを防止する。また、トランジスタ部では、ソース領域3を形成する際に、トレンチ側面に斜めから注入されるイオンを遮蔽することができるので、半導体基板表面からの注入イオンのみによりチャネル領域3の深さが決まり、特性ばらつきを抑えることができる。以下、本発明の実施例について詳細に説明する。
In the semiconductor device according to the present invention, the insulating film formed at the corner of the trench groove surface is an insulating film in which a part of the gate electrode filled in the trench groove and a part of the semiconductor region constituting the
図1は、本発明に係るトレンチゲート型MOSFETの説明図で、トランジスタ部とゲート電極引き出し部の断面図である。図1に示すようにトランジスタ部では、n型半導体領域からなるドレイン領域1上にp型半導体領域からなるチャネル領域2が積層形成されており、さらにその表面にはn型半導体領域からなるソース領域3が積層形成されている。そして、ソース領域3表面からソース領域3およびチャネル領域2を貫通し、ドレイン領域1に達するトレンチ溝4が形成されている。トレンチ溝4内の表面には、ゲート絶縁膜5が形成されており、ゲート絶縁膜5を介してゲート電極6が充填された構造となっている。一方ゲート電極取り出し部は、ゲート電極6に接続するようにゲート電極引き出し電極7が形成されている。ここで、ゲート電極取り出し部のコーナー部8の絶縁膜は、図1に示すように厚い絶縁膜10が形成されている。この厚い絶縁膜10は、ゲート電極6の一部とチャネル領域2を構成する半導体領域の一部が酸化して形成された絶縁膜となっている。その結果、酸化されずに残ったチャネル領域を構成する半導体領域は、図10で説明したような鋭角のコーナー部8がなくなり、電界集中が緩和される構造となっている。以下、トレンチゲート型MOSFETの製造方法を説明する。
FIG. 1 is an explanatory view of a trench gate type MOSFET according to the present invention, and is a sectional view of a transistor portion and a gate electrode lead portion. As shown in FIG. 1, in the transistor portion, a
まず、n型半導体領域からなるドレイン領域1上に、例えば、拡散法あるいはイオン注入法によりp型不純物を添加して形成したチャネル領域2が形成された半導体基板を用意する。そして、熱酸化法により、ソース領域3表面にシリコン酸化膜9を、例えば厚さ0.5μm形成し、通常のフォトリソグラフ法によりトレンチ溝形成予定領域を開口する(図2)。このシリコン酸化膜9は、耐酸化マスク膜となる。
First, a semiconductor substrate is prepared in which a
次に、シリコン酸化膜9をエッチングマスクとして使用し、半導体基板表面からチャネル領域2を貫通して、ドレイン領域1に達するトレンチ溝4を形成する。その後、800℃〜900℃、酸化性雰囲気で、トレンチ溝4表面に、ゲート絶縁膜5を形成する。この熱酸化は、従来方法によるため、トレンチ上端のコーナー部8のゲート絶縁膜5は、トレンチ溝4の側壁部や底面部よりも薄くなる(図3)。
Next, using the
トレンチ溝4内のゲート絶縁膜5上に、例えば、燐を不純物として添加したゲート電極6を、トレンチ溝4を越えて厚く形成する。一例としては、シリコン酸化膜9表面より0.1μm程度低くなる厚さに形成する(図4)。
On the
次に、ゲート電極6を、前述のゲート絶縁膜の形成条件と同一条件で熱酸化する。この熱酸化により、ゲート電極6及びチャネル領域2の一部が酸化され、コーナー部8も酸化される。その結果、図3で説明したコーナー部8の薄いゲート絶縁膜はなくなり、図5に示すように上方に向かって厚さが徐々に厚くなる厚い絶縁膜10が形成されることになる。ここで、後工程でゲート引き出し部を形成するため、酸化されずに残るゲート電極6は、チャネル領域2表面より上側に残るように熱酸化時間を設定するのが好ましい。
Next, the
次に、シリコン酸化膜9を、例えば厚さ0.05μm程度残る程度までエッチバックし、ゲート電極6の一部を露出させる。その後、全面に燐を不純物として添加したポリシリコン膜11を形成し、少なくともゲート電極引き出し部のゲート電極6と接続させる(図6)。
Next, the
ゲート引き出し部形成領域を図示しないマスク膜で被覆した後、露出するポリシリコン膜11をエッチング除去し、さらに露出するゲート電極6を、その表面が後述する所定の深さとなるまでエッチング除去する(図7)。
After the gate lead portion forming region is covered with a mask film (not shown), the exposed
その後、露出するチャネル領域2に不純物イオンを注入し、n型のソース領域3を形成する。ここで、チャネル領域2表面には、厚い絶縁膜10が残っているため、斜め入射イオンは遮断され、表面に対して鉛直方向からの注入のみとなる。形成されるソース領域3の深さは、先に形成したゲート電極6の表面より深く、厚い絶縁膜10より深い位置となるようにする。
Thereafter, impurity ions are implanted into the exposed
以下、通常の方法により、ソース領域3に接続するソース電極、ドレイン領域1に接続するドレイン電極を形成し、トレンチゲート型MOSFETを完成させることができる。
Thereafter, the source electrode connected to the
このように形成したトレンチゲート型MOSFETは、ゲート絶縁膜を形成する際の熱処理条件は、従来条件のままであり、高温の熱処理を必要としないにもかかわらず、ゲート電極引き出し部のコーナー部には厚い絶縁膜を形成することができ、ゲート電極引き出し部のゲート耐圧の低下を防止することができる。 In the trench gate type MOSFET formed in this way, the heat treatment conditions for forming the gate insulating film remain the same as the conventional conditions, and the high temperature heat treatment is not required, but the corner portion of the gate electrode lead portion is not required. Can form a thick insulating film, and can prevent the gate breakdown voltage of the gate electrode lead portion from being lowered.
また、厚い絶縁膜を形成することにより、トレンチ溝の開口寸法が狭くなるが、トレンチ溝内には、厚い絶縁膜を形成する前にゲート電極が充填されており、トレンチ溝内へのゲート電極の未充填が生じることもない。 In addition, by forming a thick insulating film, the opening size of the trench groove is narrowed, but the trench groove is filled with the gate electrode before the thick insulating film is formed, and the gate electrode into the trench groove is formed. No unfilling occurs.
さらに、ソース領域を形成する際、厚い絶縁膜によって斜め入射イオンが遮断され、半導体基板表面から所定の深さに形成することが可能となる。 Further, when forming the source region, the obliquely incident ions are blocked by the thick insulating film, and can be formed at a predetermined depth from the surface of the semiconductor substrate.
1:ドレイン領域、2:チャネル領域、3:ソース領域、4:トレンチ溝、5:ゲート絶縁膜、6:ゲート電極、7:ゲート電極引き出し電極、8:コーナー部、9:シリコン酸化膜、10:厚い絶縁膜、11:ポリシリコン膜 1: drain region, 2: channel region, 3: source region, 4: trench groove, 5: gate insulating film, 6: gate electrode, 7: gate electrode lead electrode, 8: corner portion, 9: silicon oxide film, 10 : Thick insulating film, 11: Polysilicon film
Claims (3)
前記トレンチ溝表面のコーナー部に形成された絶縁膜は、前記トレンチ溝内に充填された前記ゲート電極の一部と前記半導体基板表面の一部が酸化した絶縁膜を含み、前記ゲート絶縁膜より、上方に向かってトレンチ溝の中心方向に徐々に厚くなることを特徴とする半導体装置。 A first conductivity type first semiconductor region; a second conductivity type second semiconductor region stacked on the first semiconductor region; and a first conductivity type first semiconductor layer stacked on the second semiconductor region. A semiconductor substrate having three semiconductor regions, a trench groove extending from the third semiconductor region on the surface of the semiconductor substrate through the second semiconductor region to the first semiconductor region, and formed on the surface of the trench groove In a semiconductor device having a gate electrode filled in the trench groove through a gate insulating film,
The insulating film formed at the corner portion of the trench groove surface includes an insulating film in which a part of the gate electrode filled in the trench groove and a part of the surface of the semiconductor substrate are oxidized, and from the gate insulating film A semiconductor device characterized by gradually becoming thicker toward the center of the trench groove upward .
該半導体基板表面から、前記第2の半導体領域を貫き前記第1の半導体領域に達するトレンチ溝を形成する工程と、Forming a trench groove from the surface of the semiconductor substrate to reach the first semiconductor region through the second semiconductor region;
トレンチ溝表面を酸化し、ゲート絶縁膜を形成する工程と、Oxidizing the trench groove surface and forming a gate insulating film;
該ゲート絶縁膜を介して前記トレンチ溝内に、ゲート電極を充填する工程と、Filling the trench groove with the gate electrode through the gate insulating film;
前記ゲート電極の一部及び前記第2の半導体領域の一部を酸化し、前記トレンチ溝表面のコーナー部に、上方に向かってトレンチ溝の中心方向に徐々に厚くなる厚い絶縁膜を形成する工程と、A step of oxidizing a part of the gate electrode and a part of the second semiconductor region to form a thick insulating film that gradually increases in the direction of the center of the trench groove upward at the corner of the trench groove surface. When,
前記ゲート電極を前記半導体基板表面に引き出すゲート引き出し部の酸化されずに残る前記ゲート電極に接続するゲート電極引き出し電極を形成する工程と、Forming a gate electrode lead electrode connected to the gate electrode remaining unoxidized in a gate lead portion for pulling out the gate electrode to the semiconductor substrate surface;
前記半導体基板表面の前記第2の半導体領域表面に、第1導電型の第3の半導体領域を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。Forming a first semiconductor region of the first conductivity type on the surface of the second semiconductor region of the surface of the semiconductor substrate.
前記半導体基板表面に耐酸化膜を被覆した後、前記トレンチ溝形成予定領域を開口する耐酸化マスク膜を形成する工程と、
該耐酸化マスク膜をエッチングマスクとして使用し、前記トレンチ溝を形成する工程と、
該耐酸化マスク膜をマスクとして使用し、前記トレンチ溝表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
該ゲート絶縁膜を介して前記トレンチ溝内および前記耐酸化マスク膜間に、ゲート電極を充填する工程と、
前記耐酸化マスク膜間および前記トレンチ溝内の前記ゲート電極の一部と、前記第2の半導体領域の一部を酸化し、前記トレンチ溝表面のコーナー部に、上方に向かってトレンチ溝の中心方向に徐々に厚くなる厚い絶縁膜を形成する工程と、
前記トレンチ溝から突出する前記酸化されずに残る前記ゲート電極に接続する前記ゲート電極引き出し電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2.
Forming an oxidation-resistant mask film that opens the trench groove formation planned region after coating the semiconductor substrate surface with an oxidation-resistant film;
Using the oxidation-resistant mask film as an etching mask and forming the trench groove;
Using the oxidation-resistant mask film as a mask, and forming a gate insulating film on the trench groove surface;
Filling a gate electrode in the trench groove and between the oxidation-resistant mask films through the gate insulating film;
A part of the gate electrode between the oxidation-resistant mask films and in the trench groove and a part of the second semiconductor region are oxidized, and the center of the trench groove is directed upward at a corner portion of the trench groove surface. Forming a thick insulating film that gradually increases in the direction,
Forming the gate electrode lead- out electrode connected to the gate electrode remaining unoxidized protruding from the trench groove .
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