JPH05335585A - 絶縁ゲート型電力用半導体素子の製造方法 - Google Patents

絶縁ゲート型電力用半導体素子の製造方法

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JPH05335585A
JPH05335585A JP14184692A JP14184692A JPH05335585A JP H05335585 A JPH05335585 A JP H05335585A JP 14184692 A JP14184692 A JP 14184692A JP 14184692 A JP14184692 A JP 14184692A JP H05335585 A JPH05335585 A JP H05335585A
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JP
Japan
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film
insulated gate
groove
semiconductor
insulating film
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JP14184692A
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Katsunori Ueno
勝典 上野
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Fuji Electric Co Ltd
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Fuji Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】トレンチ型の絶縁ゲート構造を、少ない成膜工
程数で、特にコストの高いCVDによる工程数を少なく
して形成する。 【構成】トレンチ溝7を掘るためのエッチングの際のマ
スクを絶縁膜単層で形成することにより成膜工程数を減
らす。ただしそのためにその絶縁膜にソース電極1コン
タクトホールを形成するためのフォトプロセスを追加す
る。また、絶縁膜に熱酸化法で形成する酸化シリコン膜
を用いることにより、CVD法適用の必要を減らす。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、絶縁ゲート構造が半導
体基板の一主面上のトレンチ部に形成されるたて形の絶
縁ゲート型電力用半導体素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】絶縁ゲート型電力用半導体素子としては
パワーMOSFETあるいは絶縁ゲートバイポーラトラ
ンジスタ (IGBT) などが知られている。図2、図3
は半導体基板の両主面にソース電極1およびドレイン電
極2を有するたて形のパワーMOSFETの二つの種類
を示し、以下、図2はプレーナ型、図3をトレンチ型と
呼ぶ。いずれもn+ ドレイン層3の上にnベース層4が
積層され、プレーナ型ではそのnベース層4の表面層に
選択的にpベース層5が、さらにそのpベース層5の表
面層に選択的にn+ ソース層6がそれぞれ形成されてい
る。一方トレンチ型では、nベース層4の上にpベース
層5、さらにその上にn+ ソース層6が順に積層され、
+ 層6の表面からpベース層5を貫通してnベース層
4に達するトレンチ溝7が掘られている。プレーナ型で
はnベース層4とn+ ソース層6にはさまれたpベース
層5の表面層部分、トレンチ型ではnベース層4とn+
ソース層6にはさまれたpベース層5の溝7に近接した
部分10にチャネルを形成するために、プレーナ型では基
板表面上に、トレンチ型では溝7の内部にそれぞれ絶縁
膜8を介してゲート電極9が設けられている。IGBT
においても、基本構造は同様で、例えばH. R.Chang B.
J.Baliga、IEEE Trans. on Elect. Dev. Vol.30(1989)
P.1824に記載されているようにプレーナ型、トレンチ型
の2種類が存在する。
【0003】プレーナ型は製造工程が単純なため、広く
電力用半導体素子に適用されており、成熟した技術とな
っている。しかし、最近は、素子特性を向上させる目的
で単位面積当たりのMOSFETの密度を上げて電流密
度を大きくすることが望まれており、そのために絶縁ゲ
ート構造を小さく作る努力が払われている。トレンチ構
造ではMOSFETのチャネル部10がたて方向に存在す
るので基板面積を増加させず、そのほかにも素子の長所
がいくつか報告されており、微細化が限界に近くなって
きているプレーナ構造に代わって注目されている。
【0004】トレンチ構造の素子を製造する方法はいく
つか発表されているが、上田、電気学会研究会予稿、E
DD−89−41(1989) P.17 に記載されている方法を、図
3と共通の部分に同一の符号を付した図4(a) 〜(f) を
引用して説明する。まず、シリコン基板のnベース層4
となるn層に熱拡散によりpベース層5、n+ ソース層
6を形成し、さらにその上に酸化シリコン膜11、ちっ化
シリコン膜12、酸化シリコン膜13を順次堆積する〔図4
(a) 〕。次に、表面に酸化シリコン膜13からフォトプロ
セスでマスクパターンを形成して反応性インオンエッチ
ング (RIE)あるいはプラズマエッチングなどのドライエ
ッチングによってシリコン基板に溝7を掘る。このと
き、酸化シリコン膜13はシリコンとのエッチング選択比
が大きいのでエッチングマスクとして使用されるが、そ
のあと、溝7の内面にゲート酸化膜8を熱酸化によって
形成する〔図4(b) 〕。そして溝7の内部に導電性を与
えるためにドーピングした多結晶シリコン91を堆積した
のち、その上に酸化膜14を形成し、さらにその上にドー
プしない多結晶シリコン92を堆積する。基板の上ではこ
の多結晶シリコン膜92は多結晶シリコン91より厚い〔図
4(c) 〕。このあと、ドライエッチングにより多結晶シ
リコン膜92をエッチバックする。この際、残った多結晶
シリコン膜92の厚さに不均一が出ても、酸化膜14がエッ
チングをストップさせるので、基板上全面に酸化膜14が
露出したところで酸化膜14を除去し、再び多結晶シリコ
ン膜91のエッチバックをするため、溝7内部のみに多結
晶シリコン92および91を残す〔図4(d) 〕。次いで、溝
7内の多結晶シリコン91および92の上部を熱酸化して酸
化膜81を形成したのち、ちっ化膜12を除去する〔図4
(e)〕。さらに、ちっ化膜12の下にあった酸化膜11を取
除き、金属を蒸着してソース電極1を形成する〔図4
(f) 〕。
【0005】この方法は、図4(b) の工程で、1回フォ
トマスクを使うのみの完全セルフアライン工程であるた
め、フォトプロセスが少なく、フォトマスク合わせに伴
う不良が発生しにくいので、微細なパターンの形成に適
するなどの利点をもっている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上記のトレンチ構造形
成方法は、完全セルフアライン工程である利点もある
が、反面完全セルフアライン工程にするためにいつくか
の問題が生ずるように思われる。第一はエッチングばら
つきの問題である。ちっ化シリコンとシリコンとはエッ
チング速度が近似し、選択比が1に近いため、図4(d)
の工程で多結晶シリコン層91をエッチバックする際、ち
っ化膜12でエッチングを停止させるのは困難である。ド
ライエッチングは面内ばらつきが発生しやすく、場合に
よってはちっ化膜12がほとんどエッチングされてしまう
おそれがある。第二は成膜工程が多いという問題で、製
造コストの増加を招く。すなわち、図4(a) の工程で3
種類、図4(c) の工程で3種類の膜を形成する。このう
ち、熱酸化膜でできる膜11および膜81を除いても、CV
D法を少なくとも4回実施しなければならぬ。プレーナ
型の場合はCVDが必要なのはゲート電極9のための多
結晶シリコンと絶縁膜8の層間絶縁の部分の2種類の成
膜だけであるから、成膜工程が2倍以上に増加すること
になる。CVD法の適用は工程コストが高いためなるべ
く少ないことが望ましい。
【0007】本発明の目的は、上述の問題を解決し、C
VD法を必要とする成膜工程を少なくしてトレンチ型の
絶縁ゲート型電力用半導体素子の製造する方法を提供す
ることにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の絶縁ゲート型電力用半導体素子の製造方
法は、少なくとも一導電型の第一ベース領域の上に第二
導電型の第二ベース領域、さらにその第二ベース領域の
上に第一導電型で高不純物濃度のソース領域を形成した
半導体基板を用い、その基板の表面を被覆する単層の絶
縁膜をパターニングしたマスクを用いてソース領域およ
び第二ベース領域を貫通し第一ベース領域に達する溝を
掘り、次いでその溝の内面をゲート絶縁膜で被覆したの
ち、その溝を充填するのに十分な多結晶半導体膜を形成
し、ソース層の表面上に存在する多結晶半導体膜を前記
絶縁膜に達するまでエッチバックし、さらに溝の開口部
に露出した多結晶半導体膜の表面を絶縁膜で覆うことに
より、溝に充填された多結晶半導体膜をゲート電極とす
るトレンチ型の絶縁ゲート構造を作製するものとする。
この場合、溝に充填される多結晶半導体膜の溝の内面に
近い部分に不純物をドープせず、溝の内面より遠い部分
に不純物をドープして高電気伝導度とすることが効果的
である。また、絶縁膜が熱酸化法で形成された半導体材
料酸化膜であることあるいはCVD法で形成された半導
体材料酸化膜であることが有効である。そして、半導体
材料がシリコンであることが有効である。
【0009】
【作用】トレンチ形成のためのエッチングマスクとして
多層膜でなく単層の絶縁膜を用いることにより、成膜工
程が4回ですみ、絶縁膜をすべて半導体基板あるいは多
結晶半導体膜の熱酸化によって形成する酸化膜とすれ
ば、CVD法を必要とするのは多結晶半導体の成膜だけ
で従来にくらべて半分以下になる。また、ちっ化膜をエ
ッチングストップ膜として用いないので、余剰の多結晶
シリコンの除去を精度よく行うことができる。
【0010】
【実施例】以下、図3、図4と共通の部分に同一の符号
を付した図1(a) 〜(f) を引用して本発明の一実施例の
トレンチ型MOS構造の作製工程を説明する。この実施
例では、図4の場合と同様にnベース層4、pベース層
5、n+ ソース層6を積層したシリコン基板を用いる
が、その上にCVD法あるいは熱酸化によって酸化シリ
コン膜11を形成するだけで、図4の場合に比して2回の
成膜工程が省略できる〔図1(a) 〕。熱酸化で形成する
場合は、pベース層5、nソース層6を熱拡散で形成す
るときに同時に形成することも可能である。次に、フォ
トプロセスでパターニングした酸化膜11をマスクとして
RIEあるいはプラズマエッチングで溝7を掘り、ゲー
ト酸化膜8を熱酸化によって形成する〔図1(b) 〕。そ
して溝7の内部を充填する多結晶シリコンを堆積する
が、この多結晶シリコンの溝7に接する厚さ1μmの膜
92は不純物をドープせず、その上の厚さ2μmの膜91は
りんをドープした高電気伝導度の電極となる部分である
〔図1(c) 〕。トレンチ内面のゲート酸化膜8に接する
多結晶シリコン膜にりんをドープすると、ゲート酸化膜
8にりんが拡散して耐圧がでなくなるため、ノンドープ
膜92を用いる。この多結晶シリコン膜91へのりんドープ
は、CVD法による多結晶シリコン堆積工程の途中から
原料ガスのモノシランにフォスフィンを混合することに
よって、あるいはノンドープ多結晶シリコンを堆積後の
気相拡散によって行われる。次いで、多結晶シリコン膜
91、92のエッチバックを行い、酸化膜11の露出したとこ
ろでエッチングを停止させる〔図1(d) 〕。酸化シリコ
ンのエッチング速度はシリコンのエッチング速度に比し
て小さいため、このストップエッチングは確実にでき、
ドライエッチングの面内のばらつきは問題にならない。
このあと、露出した多結晶シリコン膜91、92の上に多結
晶シリコンの熱酸化あるいはCVD法による堆積によっ
て層間絶縁膜81をかぶせる〔図1(e) 〕。最後に、絶縁
膜11、81に2回目のフォトプロセスでコンタクトホール
を明け、金属の蒸着によりn+ ソース層6に接触するソ
ース電極1を形成する〔図1(f) 〕。
【0011】この方法では、図1(f) におけるフォトプ
ロセスが追加となるが、二つだけのフォトマスクのマス
ク合わせでは、その二つのフォトマスクの寸法差aが1
μmでも歩留まり良好で、微細化を行っても大きな歩留
まり低下とならなかった。以上の工程は、パワーMOS
FETでもIGBTでも全く同様に実施できることは言
うまでもない。
【0012】
【発明の効果】本発明によれば、トレンチ構造の溝を掘
るマスクを単層の絶縁膜のみで形成することにより、フ
ォトプロセスの回数が1回増えるものと成膜工程の回数
は2回減少し、しかも絶縁膜に熱酸化法によって成膜さ
れる酸化膜を用いれば工程コストの高いCVD法は1回
のみですむので、製造コストを大幅に下げることが可能
になった。さらに、成膜工程の回数が減ることにより、
成膜に伴う熱処理の回数も減少する。このことによって
ソース層の最終拡散深さも浅くすることができるので、
微細化が容易になり、低価格で特性の向上した絶縁ゲー
ト型電力用半導体素子を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例のパワーMOSFET製造工
程を(a) ないし(f) の順に示す断面図
【図2】プレーナ型パワーMOSFETの断面図
【図3】本発明の実施されるトレンチ型パワーMOSF
ETの断面図
【図4】従来のパワーMOSFET製造工程を(a) ない
し(f) の順に示す断面図
【符号の説明】
1 ソース電極 4 nベース層 5 pベース層 6 n+ ソース層 7 溝 8 ゲート酸化膜 81 層間絶縁膜 91 りんドープ多結晶シリコン膜 92 ノンドープ多結晶シリコン膜 11 酸化膜

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第一導電型の第一ベース領域の上に第二導
    電型の第二ベース領域、さらにその第二ベース領域の上
    に第一導電型で高不純物濃度のソース領域を形成した半
    導体基板を用い、その基板の表面を被覆する単層の絶縁
    膜をパターニングしたマスクを用いてソース領域および
    第二ベース領域を貫通し第一ベース領域に達する溝を掘
    り、次いでその溝の内面をゲート絶縁膜で被覆したの
    ち、その溝を充填するのに十分な多結晶半導体膜を形成
    し、ソース層の表面上に存在する多結晶半導体膜を前記
    絶縁膜に達するまでエッチバックし、さらに溝の開口部
    に露出した多結晶半導体膜の表面を絶縁膜で覆うことに
    より、溝に充填された多結晶半導体膜をゲート電極とす
    るトレンチ型の絶縁ゲート構造を形成することを特徴と
    する絶縁ゲート型電力用半導体素子の製造方法。
  2. 【請求項2】多結晶半導体膜の溝の内面に近い部分に不
    純物をドープせず、溝の内面より遠い部分に不純物をド
    ープして高電気伝導度とする請求項1記載の絶縁ゲート
    型電力用半導体素子の製造方法。
  3. 【請求項3】絶縁膜が熱酸化法で形成された半導体材料
    酸化膜である請求項1あるいは2記載の絶縁ゲート型電
    力用半導体素子の製造方法。
  4. 【請求項4】絶縁膜がCVD法で形成された半導体材料
    酸化膜である請求項1あるいは2記載の絶縁ゲート型電
    力用半導体素子の製造方法。
  5. 【請求項5】半導体材料がシリコンである請求項1、2
    あるいは3記載の絶縁ゲート型電力用半導体素子の製造
    方法。
JP14184692A 1992-06-03 1992-06-03 絶縁ゲート型電力用半導体素子の製造方法 Pending JPH05335585A (ja)

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