[go: up one dir, main page]

JP2005340465A - Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device Download PDF

Info

Publication number
JP2005340465A
JP2005340465A JP2004156527A JP2004156527A JP2005340465A JP 2005340465 A JP2005340465 A JP 2005340465A JP 2004156527 A JP2004156527 A JP 2004156527A JP 2004156527 A JP2004156527 A JP 2004156527A JP 2005340465 A JP2005340465 A JP 2005340465A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
trench
plane
semiconductor device
dopant
gate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2004156527A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kazuo Shimoyama
和男 下山
Haruo Nakazawa
治雄 中澤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Holdings Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuji Electric Holdings Ltd filed Critical Fuji Electric Holdings Ltd
Priority to JP2004156527A priority Critical patent/JP2005340465A/en
Publication of JP2005340465A publication Critical patent/JP2005340465A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)

Abstract

【課題】通常のシリコンプロセスで用いられるリンやボロンをドーパントとして用いてフィールドストップ層などの深い拡散層を形成するとともに、良好な特性を有するトレンチゲート構造を形成すること。
【解決手段】(110)面を主面とするシリコンウェハに、(110)面に垂直な(001)面がトレンチ側壁に露出するようにトレンチ23を形成し、このトレンチ23の中にゲート酸化膜25を介してゲート電極24を形成する。そして、ウェハ裏面の(110)面に対して垂直にリンイオンを注入して、フィールドストップ層31となる深い拡散層を形成する。
【選択図】 図1


A deep diffusion layer such as a field stop layer is formed using phosphorus or boron used in a normal silicon process as a dopant, and a trench gate structure having good characteristics is formed.
A trench is formed on a silicon wafer having a (110) plane as a main surface so that a (001) plane perpendicular to the (110) plane is exposed on a trench sidewall, and gate oxidation is performed in the trench. A gate electrode 24 is formed through the film 25. Then, phosphorus ions are implanted perpendicularly to the (110) plane on the backside of the wafer to form a deep diffusion layer that becomes the field stop layer 31.
[Selection] Figure 1


Description

この発明は、半導体装置の製造方法および半導体装置に関し、特にトレンチゲート構造と、フィールドストップ層となる深い拡散層を備えた絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ等を構成する半導体装置の製造方法および半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device manufacturing method and a semiconductor device, and more particularly, to a semiconductor device manufacturing method and a semiconductor device that constitute an insulated gate bipolar transistor having a trench gate structure and a deep diffusion layer serving as a field stop layer.

近年、電力変換装置に用いられるパワーMOSFETや絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(以下、IGBTとする)やサイリスタやダイオードなどにおいて、トレンチゲート構造が実用化されている。トレンチゲート構造は、基板表面のトレンチ内にゲート酸化膜を介してゲート電極が設けられた構造であり、チャネル密度が飛躍的に向上するという利点を有している。   In recent years, trench gate structures have been put into practical use in power MOSFETs, insulated gate bipolar transistors (hereinafter referred to as IGBTs), thyristors, diodes, and the like used in power converters. The trench gate structure is a structure in which a gate electrode is provided in the trench on the substrate surface via a gate oxide film, and has an advantage that the channel density is remarkably improved.

図7および図8は、それぞれトレンチゲート構造およびプレーナゲート構造を有するフィールドストップ型のIGBT(以下、FS−IGBTとする)の構成を示す断面図である。図7に示すように、トレンチゲート型FS−IGBTでは、n-ドリフト層1の表面側には、pベース領域2を貫通するトレンチ3が設けられている。ゲート電極4は、トレンチ3内にゲート酸化膜5を介して設けられている。 7 and 8 are cross-sectional views showing the structure of a field stop type IGBT (hereinafter referred to as FS-IGBT) having a trench gate structure and a planar gate structure, respectively. As shown in FIG. 7, in the trench gate type FS-IGBT, a trench 3 penetrating the p base region 2 is provided on the surface side of the n drift layer 1. The gate electrode 4 is provided in the trench 3 via a gate oxide film 5.

+エミッタ領域6は、pベース領域2内にトレンチ3に接して設けられている。エミッタ電極7は、pベース領域2およびn+エミッタ領域6に接触し、かつ層間絶縁膜8によりゲート電極4から絶縁されている。 The n + emitter region 6 is provided in contact with the trench 3 in the p base region 2. Emitter electrode 7 is in contact with p base region 2 and n + emitter region 6 and is insulated from gate electrode 4 by interlayer insulating film 8.

-ドリフト層1の裏面側には、ホールの注入層となるp+コレクタ層9とこれに接触するコレクタ電極10が設けられている。また、n+フィールドストップ層11が、p+コレクタ層9とn-ドリフト層1との間に設けられている。 On the back surface side of the n drift layer 1, a p + collector layer 9 serving as a hole injection layer and a collector electrode 10 in contact therewith are provided. An n + field stop layer 11 is provided between the p + collector layer 9 and the n drift layer 1.

図8に示すように、プレーナゲート型FS−IGBTでは、ゲート電極4は、n-ドリフト層1の表面上に、ゲート酸化膜5を介して設けられている。その他の構成は、上述したトレンチゲート型FS−IGBTの構成と同様である。 As shown in FIG. 8, in the planar gate type FS-IGBT, the gate electrode 4 is provided on the surface of the n drift layer 1 via the gate oxide film 5. The other configuration is the same as that of the trench gate type FS-IGBT described above.

図7に示す構成と図8に示す構成との比較より明らかなように、トレンチゲート構造を用いることによって、チャネル密度を向上させることができる。また、キャリアの蓄積効果が向上するため、チャネル抵抗成分の寄与が小さい高耐圧デバイスにおいて、低損失化を図ることができる。   As is clear from a comparison between the configuration shown in FIG. 7 and the configuration shown in FIG. 8, the channel density can be improved by using the trench gate structure. In addition, since the carrier accumulation effect is improved, the loss can be reduced in a high breakdown voltage device in which the contribution of the channel resistance component is small.

図9は、プレーナゲート構造を有するFS−IGBTとノンパンチスルー型のIGBT(以下、NPT−IGBTとする)との構成を比較するためにそれぞれの要部を示す断面図であり、同図(a)はFS−IGBTを、また同図(b)はNPT−IGBTをそれぞれ示している。なお、図9においては、層間絶縁膜、エミッタ電極およびコレクタ電極は省略されている。   FIG. 9 is a cross-sectional view showing the main parts of the FS-IGBT having a planar gate structure and a non-punch through type IGBT (hereinafter referred to as NPT-IGBT) for comparison. a) shows the FS-IGBT, and FIG. 5B shows the NPT-IGBT. In FIG. 9, the interlayer insulating film, the emitter electrode, and the collector electrode are omitted.

図9(b)に示すように、NPT−IGBTには、フィールドストップ層がない。そのため、ドリフト層1をFS−IGBTよりも厚くして、オフ時に空乏層がコレクタ側に接触しないようにする必要がある。換言すれば、FS−IGBTでは、空乏層を止めるためのフィールドストップ層11が設けられているため、NPT−IGBTよりもドリフト層1を薄くすることができる。   As shown in FIG. 9B, the NPT-IGBT has no field stop layer. Therefore, it is necessary to make the drift layer 1 thicker than the FS-IGBT so that the depletion layer does not contact the collector side at the time of off. In other words, since the field stop layer 11 for stopping the depletion layer is provided in the FS-IGBT, the drift layer 1 can be made thinner than the NPT-IGBT.

このため、FS−IGBTでは、コレクタ−エミッタ間飽和電圧VCE(sat)を低減することができるという利点がある。また、過剰キャリアが少ないことと、空乏層が伸びきった状態での中性領域の残り幅が少ないことにより、ターンオフ損失を低減することができるという利点がある。なお、図9(b)において、二点鎖線は、NPT−IGBTにおける伸びきった空乏層の位置を示している。 For this reason, the FS-IGBT has an advantage that the collector-emitter saturation voltage V CE (sat) can be reduced. In addition, since there are few excess carriers and the remaining width of the neutral region in a state where the depletion layer is fully extended, there is an advantage that turn-off loss can be reduced. In FIG. 9B, the two-dot chain line indicates the position of the depletion layer that has been extended in the NPT-IGBT.

ところで、フィールドストップ層11は、基板裏面側に形成される。そして、フィールドストップ層11については、そのプロファイルが奥深く広がるほど、良好な特性が得られることが知られている。このため、フィールドストップ層11として深い拡散層を形成する必要がある。   By the way, the field stop layer 11 is formed on the back side of the substrate. As for the field stop layer 11, it is known that better characteristics can be obtained as the profile spreads deeper. For this reason, it is necessary to form a deep diffusion layer as the field stop layer 11.

しかし、通常のシリコンプロセスで用いられるn型のドーパントのうち、最も投影飛程が大きく、かつシリコン中での拡散係数が大きいリン(P)を用いても、フィールドストップ層11となる深い拡散層を形成することはできない。そこで、ドーパントして、リンよりも拡散係数が大きいセレン(Se)や硫黄(S)を用いることが提案されている(例えば、特許文献1、特許文献2参照。)。   However, among the n-type dopants used in the normal silicon process, even if phosphorus (P) having the largest projected range and a large diffusion coefficient in silicon is used, a deep diffusion layer that becomes the field stop layer 11 Can not form. Therefore, it has been proposed to use selenium (Se) or sulfur (S) having a larger diffusion coefficient than phosphorus as a dopant (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).

特表2002−520885号公報Japanese translation of PCT publication No. 2002-52085 特表2002−520886号公報Special Table 2002-520886

しかしながら、通常のシリコンプロセスにおいて、セレンや硫黄がドーパントとして用いられることはないため、汚染によるデバイス特性低下や良品率低下などを防止する必要がある。そのためには、専用のイオン注入装置や拡散炉や洗浄装置などを用意する必要があり、コストの増大を招く。また、ドーパントとしてリンを用いる場合、あるいは熱処理温度や熱処理時間に制限があるために大きな拡散が得られない場合には、高加速でイオン注入を行うことができる高価で特別なイオン注入装置を用意する必要がある。   However, since selenium and sulfur are not used as dopants in a normal silicon process, it is necessary to prevent deterioration in device characteristics and reduction in yield rate due to contamination. For that purpose, it is necessary to prepare a dedicated ion implantation apparatus, a diffusion furnace, a cleaning apparatus, and the like, resulting in an increase in cost. In addition, when phosphorus is used as a dopant or when large diffusion cannot be obtained due to heat treatment temperature and heat treatment time limitations, an expensive and special ion implantation apparatus that can perform ion implantation at high acceleration is prepared. There is a need to.

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、シリコンウェハの結晶面方位の最適化を図ることにより、通常のシリコンプロセスで用いられるリンやボロンをドーパントとして用いてフィールドストップ層などの深い拡散層を形成することができ、かつ良好な特性を有するトレンチゲート構造を形成することができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。また、この発明は、通常のシリコンプロセスで用いられるリンやボロンをドーパントとして含むフィールドストップ層などの深い拡散層と、良好な特性を有するトレンチゲート構造を有する半導体装置を提供することを目的とする。   In order to solve the above-mentioned problems caused by the prior art, the present invention optimizes the crystal plane orientation of a silicon wafer, and uses phosphorus or boron used in a normal silicon process as a dopant to form a field stop layer or the like. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor device capable of forming a deep diffusion layer and forming a trench gate structure having good characteristics. Another object of the present invention is to provide a semiconductor device having a deep diffusion layer such as a field stop layer containing phosphorus or boron as a dopant used in a normal silicon process and a trench gate structure having good characteristics. .

上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項1の発明にかかる半導体装置の製造方法は、基板表面側に形成されたトレンチゲート構造と、基板裏面側に形成された深い拡散層と、を有する半導体装置を製造するにあたって、(110)面を主面とするシリコンウェハに、(110)面に垂直な(001)面がトレンチ側壁に露出するようにトレンチを形成する工程と、前記トレンチの内側にゲート酸化膜を形成する工程と、前記ゲート酸化膜の内側にゲート電極を形成する工程と、前記ウェハの(110)面に対して垂直にドーパントを注入する工程と、を含むことを特徴とする。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, a method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1 includes a trench gate structure formed on the substrate surface side, and a deep diffusion layer formed on the substrate back side. Forming a trench so that a (001) plane perpendicular to the (110) plane is exposed on the trench side wall in a silicon wafer having a (110) plane as a main surface, Forming a gate oxide film inside the trench; forming a gate electrode inside the gate oxide film; and implanting a dopant perpendicular to the (110) plane of the wafer. It is characterized by.

この請求項1の発明によれば、イオン注入法によりウェハの(110)面に対して垂直にドーパントを注入することにより、<110>軸チャネリングを利用して、深いドーパントプロファイルを有する拡散層を形成することができる。また、トレンチ側壁において、ゲート酸化膜であるSiO2がシリコンの(001)面に接触するので、SiO2中の固定電荷密度および界面電荷密度が小さくて、キャリアの移動度が大きい良好なSiO2/Si界面が得られる。 According to the first aspect of the present invention, a diffusion layer having a deep dopant profile is formed by utilizing <110> axis channeling by implanting a dopant perpendicular to the (110) plane of the wafer by ion implantation. Can be formed. Further, in the trench sidewalls, since SiO 2 is a gate oxide film is in contact with the (001) plane of silicon, the fixed charge density and surface charge density in the SiO 2 is small, good SiO 2 high mobility of carriers / Si interface is obtained.

請求項2の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項1に記載の発明において、前記ドーパントは、リンまたはボロンであることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device according to the first aspect, wherein the dopant is phosphorus or boron.

この請求項2の発明によれば、通常のシリコンプロセスで用いられるリンやボロンをドーパントとして用いて、深い拡散層を形成することができる。   According to the second aspect of the present invention, it is possible to form a deep diffusion layer using phosphorus or boron used in a normal silicon process as a dopant.

また、上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項3の発明にかかる半導体装置の製造方法は、基板表面側に形成されたトレンチゲート構造と、基板裏面側に形成されたフィールドストップ構造と、を有する絶縁ゲート型バイポーラトランジスタよりなる半導体装置を製造するにあたって、(110)面を主面とするシリコンウェハに、(110)面に垂直な(001)面がトレンチ側壁に露出するようにトレンチを形成する工程と、前記トレンチの内側にゲート酸化膜を形成する工程と、前記ゲート酸化膜の内側にゲート電極を形成する工程と、前記ウェハの(110)面に対して垂直にドーパントを注入してフィールドストップ層となる深い拡散層を形成する工程と、を含むことを特徴とする。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, a semiconductor device manufacturing method according to claim 3 includes a trench gate structure formed on the substrate surface side and a field stop formed on the substrate back side. In manufacturing a semiconductor device comprising an insulated gate bipolar transistor having a structure, a (001) plane perpendicular to the (110) plane is exposed on a trench sidewall on a silicon wafer having a (110) plane as a main surface. Forming a trench in the trench, forming a gate oxide film inside the trench, forming a gate electrode inside the gate oxide film, and a dopant perpendicular to the (110) plane of the wafer And forming a deep diffusion layer to be a field stop layer by implanting.

この請求項3の発明によれば、イオン注入法によりウェハの(110)面に対して垂直にドーパントを注入することにより、<110>軸チャネリングを利用して、深いドーパントプロファイルを有するフィールドストップ層を形成することができる。また、トレンチ側壁において、ゲート酸化膜であるSiO2がシリコンの(001)面に接触するので、SiO2中の固定電荷密度および界面電荷密度が小さくて、キャリアの移動度が大きい良好な界面が得られる。 According to the third aspect of the present invention, a field stop layer having a deep dopant profile using <110> axis channeling by implanting a dopant perpendicular to the (110) plane of the wafer by ion implantation. Can be formed. In addition, since the SiO 2 that is the gate oxide film is in contact with the (001) surface of silicon on the trench side wall, there is a good interface in which the fixed charge density and the interface charge density in SiO 2 are small and the carrier mobility is large. can get.

請求項4の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項3に記載の発明において、前記ドーパントは、リンであることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device according to the third aspect, wherein the dopant is phosphorus.

この請求項4の発明によれば、通常のシリコンプロセスで用いられるリンをドーパントとして用いて、深いフィールドストップ層を形成することができる。   According to the fourth aspect of the present invention, a deep field stop layer can be formed using phosphorus used in a normal silicon process as a dopant.

また、上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項5の発明にかかる半導体装置は、(110)面を主面とするシリコン半導体基板の表面側に、(110)面に垂直な(001)面をトレンチ側壁とするトレンチが形成され、該トレンチ内にゲート酸化膜を介してゲート電極が設けられたトレンチゲート構造と、前記シリコン半導体基板の裏面側に形成された、リンまたはボロンをドーパントとして含む深い拡散層と、を備えることを特徴とする。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, a semiconductor device according to a fifth aspect of the present invention is directed to a surface side of a silicon semiconductor substrate having a (110) plane as a main surface and perpendicular to the (110) plane. A trench gate structure in which a trench having a (001) plane as a trench sidewall is formed, and a gate electrode is provided in the trench via a gate oxide film, and phosphorus or boron formed on the back side of the silicon semiconductor substrate And a deep diffusion layer containing as a dopant.

この請求項5の発明によれば、トレンチ側壁において、ゲート酸化膜であるSiO2がシリコンの(001)面に接触するので、SiO2中の固定電荷密度および界面電荷密度が小さくて、キャリアの移動度が大きい良好な界面が得られる。また、イオン注入法によりウェハの(110)面に対して垂直にリンまたはボロンをドーパントとして注入すれば、<110>軸チャネリングによって、深いドーパントプロファイルを有する拡散層が得られる。 According to the fifth aspect of the present invention, the SiO 2 as the gate oxide film contacts the (001) surface of silicon on the trench sidewall, so that the fixed charge density and the interface charge density in SiO 2 are small, and the carrier A good interface with high mobility can be obtained. Further, if phosphorus or boron is implanted as a dopant perpendicularly to the (110) plane of the wafer by ion implantation, a diffusion layer having a deep dopant profile can be obtained by <110> axis channeling.

また、上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項6の発明にかかる半導体装置は、(110)面を主面とするシリコン半導体基板の表面側に、(110)面に垂直な(001)面をトレンチ側壁とするトレンチが形成され、該トレンチ内にゲート酸化膜を介してゲート電極が設けられたトレンチゲート構造と、前記シリコン半導体基板の裏面側に形成された、リンをドーパントとして含むフィールドストップ層となる深い拡散層と、を有する絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを構成することを特徴とする。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, a semiconductor device according to a sixth aspect of the present invention is directed to a surface side of a silicon semiconductor substrate having a (110) plane as a main surface and perpendicular to the (110) plane. A trench having a (001) plane as a trench sidewall, a trench gate structure in which a gate electrode is provided via a gate oxide film in the trench, and phosphorus formed on the back side of the silicon semiconductor substrate as a dopant An insulated gate bipolar transistor having a deep diffusion layer serving as a field stop layer is included.

この請求項6の発明によれば、トレンチ側壁において、ゲート酸化膜であるSiO2がシリコンの(001)面に接触するので、SiO2中の固定電荷密度および界面電荷密度が小さくて、キャリアの移動度が大きい良好な界面が得られる。また、イオン注入法によりウェハの(110)面に対して垂直にリンをドーパントとして注入すれば、<110>軸チャネリングによって、深いドーパントプロファイルを有するフィールドストップ層が得られる。 According to the sixth aspect of the present invention, since the SiO 2 as the gate oxide film contacts the (001) surface of silicon on the trench sidewall, the fixed charge density and the interface charge density in the SiO 2 are small, and the carrier A good interface with high mobility can be obtained. If phosphorus is implanted as a dopant perpendicularly to the (110) plane of the wafer by ion implantation, a field stop layer having a deep dopant profile is obtained by <110> axis channeling.

本発明にかかる半導体装置の製造方法および半導体装置によれば、通常のシリコンプロセスで用いられるリンやボロンをドーパントとしたフィールドストップ層などの深い拡散層を有する半導体装置が得られる。また、界面準位等が少なく、キャリアの移動度が大きい良好なトレンチゲート構造を有する半導体装置が得られる。従って、特別な装置を用意しなくても、フィールドストップ層などの深い拡散層と、良好な特性のトレンチゲート構造の両方を有する半導体装置が得られる。   According to the method for manufacturing a semiconductor device and the semiconductor device according to the present invention, a semiconductor device having a deep diffusion layer such as a field stop layer using phosphorus or boron as a dopant used in a normal silicon process can be obtained. In addition, a semiconductor device having a good trench gate structure with few interface states and high carrier mobility can be obtained. Therefore, a semiconductor device having both a deep diffusion layer such as a field stop layer and a trench gate structure with good characteristics can be obtained without preparing a special device.

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置の製造方法および半導体装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。   Exemplary embodiments of a method for manufacturing a semiconductor device and a semiconductor device according to the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings.

図2は、本発明の実施の形態にかかるトレンチゲート構造を有するFS−IGBTの構成を示す断面図である。図2に示すように、n-ドリフト層21の表面側には、pベース領域22を貫通するトレンチ23が設けられている。ゲート電極24は、トレンチ23内にゲート酸化膜25を介して設けられている。図2において、ゲート電極24はポリシリコンでできており、その上の符号32で示すものは、ゲート電極24に接触するメタルのゲート電極である。 FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of an FS-IGBT having a trench gate structure according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, a trench 23 penetrating the p base region 22 is provided on the surface side of the n drift layer 21. The gate electrode 24 is provided in the trench 23 via a gate oxide film 25. In FIG. 2, the gate electrode 24 is made of polysilicon, and the reference numeral 32 above the gate electrode 24 is a metal gate electrode in contact with the gate electrode 24.

+エミッタ領域26は、pベース領域22内にトレンチ23に接して設けられている。エミッタ電極27は、pベース領域22およびn+エミッタ領域26に接触し、かつ図示省略した層間絶縁膜によりゲート電極24から絶縁されている。 The n + emitter region 26 is provided in contact with the trench 23 in the p base region 22. Emitter electrode 27 is in contact with p base region 22 and n + emitter region 26 and insulated from gate electrode 24 by an interlayer insulating film (not shown).

-ドリフト層21の裏面側には、ホールの注入層となるp+コレクタ層29とこれに接触するコレクタ電極30が設けられている。また、n+フィールドストップ層31は、p+コレクタ層29とn-ドリフト層21との間に設けられている。 On the back side of the n drift layer 21, a p + collector layer 29 serving as a hole injection layer and a collector electrode 30 in contact therewith are provided. The n + field stop layer 31 is provided between the p + collector layer 29 and the n drift layer 21.

ここで、n-ドリフト層21となるシリコンウェハの結晶面方位は、(110)面である。従って、pベース領域22およびn+エミッタ領域26の、エミッタ電極27および図示省略した層間絶縁膜と接触する界面の結晶面方位は、(110)面である。また、トレンチ23をウェハ表面に対して垂直に形成することによって、トレンチ23の側壁において、pベース領域22およびn+エミッタ領域26の、ゲート酸化膜25と接触する界面の結晶面方位は、(110)面に垂直な(001)面となっている。 Here, the crystal plane orientation of the silicon wafer to be the n drift layer 21 is the (110) plane. Therefore, the crystal plane orientation of the interface of the p base region 22 and the n + emitter region 26 contacting the emitter electrode 27 and the interlayer insulating film (not shown) is the (110) plane. Further, by forming the trench 23 perpendicular to the wafer surface, the crystal plane orientation of the interface of the p base region 22 and the n + emitter region 26 in contact with the gate oxide film 25 on the sidewall of the trench 23 is ( The (001) plane is perpendicular to the (110) plane.

ゲートトレンチ構造を形成するにあたっては、トレンチ23内にゲート酸化膜25を形成し、さらにその内側にゲート電極24となるドープトポリシリコンを埋める。主面の結晶面方位が(110)面であるシリコンウェハを用いた場合、その主面上に通常のプレーナゲート構造を形成すると、ゲート酸化膜であるSiO2がシリコンの(110)面に接触するため、SiO2中の固定電荷密度および界面電荷密度が大きくなり、キャリアの移動度が小さくなってしまう。 In forming the gate trench structure, a gate oxide film 25 is formed in the trench 23, and further, doped polysilicon serving as the gate electrode 24 is buried therein. When a silicon wafer having a principal plane crystal plane orientation of (110) is used, if a normal planar gate structure is formed on the principal plane, SiO 2 as a gate oxide film contacts the (110) plane of silicon. For this reason, the fixed charge density and the interface charge density in SiO 2 increase, and the carrier mobility decreases.

それに対して、実施の形態では、(110)面を主面とするシリコンウェハに、(001)面がトレンチ側壁に露出するようにトレンチ23が形成されているので、通常のプレーナゲート構造を有するIGBT等と同様に、ゲート酸化膜25であるSiO2は、シリコンの(001)面に接触することになる。従って、ゲート酸化膜とシリコンとの界面は、SiO2中の固定電荷密度および界面電荷密度が少なく、キャリアの移動度が大きい良好な界面となる。 On the other hand, in the embodiment, since the trench 23 is formed in the silicon wafer having the (110) plane as the main surface so that the (001) plane is exposed on the trench side wall, it has a normal planar gate structure. Similar to the IGBT or the like, the SiO 2 that is the gate oxide film 25 comes into contact with the (001) plane of silicon. Therefore, the interface between the gate oxide film and silicon is a good interface with low fixed charge density and interface charge density in SiO 2 and high carrier mobility.

図1は、図2に示す構成のFS−IGBTのフィールドストップ層の形成方法を説明するための断面図である。n+フィールドストップ層31を形成するにあたっては、ウェハの裏面側から、ドーパントとしてリンをイオン注入する。ウェハ裏面の結晶面方位は、(110)面である。このときのイオン注入条件は、ウェハ注入角度(チルト角度)を0°、すなわち(110)面に対して垂直とし、<110>軸チャネリングを生じさせる。 FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining a method of forming a field stop layer of the FS-IGBT having the configuration shown in FIG. In forming the n + field stop layer 31, phosphorus is ion-implanted as a dopant from the back side of the wafer. The crystal plane orientation on the backside of the wafer is the (110) plane. The ion implantation conditions at this time are such that the wafer implantation angle (tilt angle) is 0 °, that is, perpendicular to the (110) plane, and <110> axis channeling occurs.

図3は、シリコンウェハの(110)面を<110>軸方向から見たときのシリコン格子を模式的に示す図であり、同図において、符号41はシリコン原子であり、符号42は、シリコン原子の結晶の配列で形成されるチャネル(隙間)である。このチャネルに沿って注入イオンが深く進入する現象が、チャネリングである。   FIG. 3 is a diagram schematically showing a silicon lattice when the (110) plane of a silicon wafer is viewed from the <110> axis direction. In FIG. 3, reference numeral 41 denotes silicon atoms, and reference numeral 42 denotes silicon. A channel (gap) formed by an array of atomic crystals. Channeling is a phenomenon in which implanted ions enter deeply along this channel.

比較として、図5に、シリコンウェハの(100)面を<100>軸方向から見たときのシリコン格子の模式図を示す。図5において、符号51はシリコン原子であり、符号52はチャネルである。図3と図5の比較より明らかなように、(110)面に生じるチャネル42は、(100)面に生じるチャネル52よりも遥かに大きい。このため、(110)面と(100)面とに同じようにチルト角度0°でリン等のドーパントを注入する場合、(110)面を主面とするシリコンウェハを用いた方が、チャネリングによるドーパントプロファイルの広がりが遥かに大きく、深い拡散層の形成に対して有利である。   For comparison, FIG. 5 shows a schematic diagram of a silicon lattice when the (100) plane of a silicon wafer is viewed from the <100> axis direction. In FIG. 5, reference numeral 51 is a silicon atom, and reference numeral 52 is a channel. As is clear from the comparison between FIGS. 3 and 5, the channel 42 generated in the (110) plane is much larger than the channel 52 generated in the (100) plane. For this reason, when a dopant such as phosphorus is implanted at a tilt angle of 0 ° in the same manner on the (110) plane and the (100) plane, channeling is more effective when a silicon wafer having the (110) plane as the main surface is used. The spread of the dopant profile is much larger, which is advantageous for the formation of deep diffusion layers.

1MeVの注入エネルギーでP+(リンイオン)をイオン注入したときのプロファイルの一例を図4および図6に示す。図4は、(110)面に対するプロファイルであり、図6は、(100)面に対するプロファイルである。両図の比較より、(110)面に対してイオン注入をした方が、P+が深くまで拡散しているのがわかる。 An example of a profile when P + (phosphorus ion) is ion-implanted with an implantation energy of 1 MeV is shown in FIGS. FIG. 4 shows a profile for the (110) plane, and FIG. 6 shows a profile for the (100) plane. From the comparison of both figures, it can be seen that P + diffuses deeper when ion implantation is performed on the (110) plane.

また、フィールドストップ層31を形成するためのイオン注入を行う際には、パラレルスキャン方式の注入装置を用いることが望ましい。そうすれば、ウェハ中央部と外周部とで注入角度の差がつくことによるプロファイルのばらつきを防ぐことができるからである。   In addition, when performing ion implantation for forming the field stop layer 31, it is desirable to use a parallel scan type implantation apparatus. By doing so, it is possible to prevent profile variation due to the difference in implantation angle between the wafer central portion and the outer peripheral portion.

さらに、そのイオン注入と同時に、リンをドーパントとする場合ウェハの温度が150℃以上になるように、ボロンをドーパントとする場合ウェハの温度が50℃以上になるようにウェハを加熱することが望ましい。そうすれば、イオン注入中に導入される注入損傷を回復させて、チャネリングによる飛程の増加を維持することができるからである。注入損傷が積算していって、ある注入量を超えると、シリコンの結晶構造は、規則配列を持たずに、アモルファス層が形成されてしまう。このアモルファス層が形成されると、チャネリングが起こらないので飛程が小さくなる。飛程の増加維持のためにはアモルファス層形成の抑制が必要である。   Further, at the same time as the ion implantation, it is desirable to heat the wafer so that the temperature of the wafer becomes 150 ° C. or higher when phosphorus is used as the dopant, and the temperature of the wafer becomes 50 ° C. or higher when boron is used as the dopant. . By doing so, it is possible to recover the implantation damage introduced during the ion implantation and maintain the increase in the range due to channeling. If the implantation damage is integrated and exceeds a certain implantation amount, the crystalline structure of silicon does not have a regular arrangement, and an amorphous layer is formed. When this amorphous layer is formed, channeling does not occur, so the range becomes small. In order to maintain the increase in the range, it is necessary to suppress the formation of the amorphous layer.

以上説明したように、実施の形態によれば、通常のシリコンプロセスで用いられるリンをドーパントとしたフィールドストップ層31を有するとともに、SiO2中の固定電荷密度および界面電荷密度が小さく、キャリアの移動度が大きい良好なトレンチゲート構造を有するFS−IGBTが得られる。 As described above, according to the embodiment, the field stop layer 31 having phosphorus as a dopant used in a normal silicon process is provided, the fixed charge density and the interface charge density in SiO 2 are small, and the carrier moves. An FS-IGBT having a good and excellent trench gate structure can be obtained.

以上において、本発明は、上述した実施の形態に限らず、種々変更可能である。例えば、半導体層および半導体領域の導電型を反転させた構成としてもよい。また、ドーパントとして、リンに限らず、ボロンなどを用いることもできる。さらに、本発明は、FS−IGBTに限らず、トレンチゲート構造と深い拡散層の両方を有する半導体装置に適用することができる。   As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made. For example, the semiconductor layer and the semiconductor region may have a reversed conductivity type. Further, as a dopant, not only phosphorus but also boron or the like can be used. Furthermore, the present invention is not limited to the FS-IGBT but can be applied to a semiconductor device having both a trench gate structure and a deep diffusion layer.

以上のように、本発明にかかる半導体装置の製造方法および半導体装置は、汎用インバータ、ACサーボ、無停電電源(UPS)またはスイッチング電源などの産業分野や、電子レンジ、炊飯器またはストロボなどの民生機器分野に用いられるIGBT等の電力用半導体装置に有用である。   As described above, the method for manufacturing a semiconductor device and the semiconductor device according to the present invention include industrial fields such as general-purpose inverters, AC servos, uninterruptible power supplies (UPS), and switching power supplies, and consumer products such as microwave ovens, rice cookers, and strobes. This is useful for power semiconductor devices such as IGBTs used in the field of equipment.

本発明の実施の形態にかかるトレンチゲート構造を有するFS−IGBTのフィールドストップ層の形成方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the formation method of the field stop layer of FS-IGBT which has a trench gate structure concerning embodiment of this invention. 本発明の実施の形態にかかるトレンチゲート構造を有するFS−IGBTの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of FS-IGBT which has a trench gate structure concerning embodiment of this invention. シリコンウェハの(110)面を<110>軸方向から見たときのシリコン格子を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows a silicon | silicone lattice when the (110) plane of a silicon wafer is seen from the <110> axis direction. シリコンウェハの(110)面にP+をイオン注入したときのプロファイルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a profile when P <+> ion implantation is carried out to the (110) plane of a silicon wafer. シリコンウェハの(100)面を<100>軸方向から見たときのシリコン格子を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows a silicon lattice when the (100) plane of a silicon wafer is viewed from the <100> axis direction. シリコンウェハの(100)面にP+をイオン注入したときのプロファイルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a profile when P <+> ion implantation is carried out to the (100) plane of a silicon wafer. トレンチゲート構造を有するFS−IGBTの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of FS-IGBT which has a trench gate structure. プレーナゲート構造を有するFS−IGBTの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of FS-IGBT which has a planar gate structure. プレーナゲート構造を有するFS−IGBTとNPT−IGBTの要部の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the principal part of FS-IGBT and NPT-IGBT which have a planar gate structure.

符号の説明Explanation of symbols

23 トレンチ
24 ゲート電極
25 ゲート酸化膜
31 フィールドストップ層(深い拡散層)


23 trench 24 gate electrode 25 gate oxide film 31 field stop layer (deep diffusion layer)


Claims (6)

基板表面側に形成されたトレンチゲート構造と、基板裏面側に形成された深い拡散層と、を有する半導体装置を製造するにあたって、
(110)面を主面とするシリコンウェハに、(110)面に垂直な(001)面がトレンチ側壁に露出するようにトレンチを形成する工程と、
前記トレンチの内側にゲート酸化膜を形成する工程と、
前記ゲート酸化膜の内側にゲート電極を形成する工程と、
前記ウェハの(110)面に対して垂直にドーパントを注入する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In manufacturing a semiconductor device having a trench gate structure formed on the substrate surface side and a deep diffusion layer formed on the substrate back side,
Forming a trench in a silicon wafer having a (110) plane as a main surface so that a (001) plane perpendicular to the (110) plane is exposed on the trench sidewall;
Forming a gate oxide film inside the trench;
Forming a gate electrode inside the gate oxide film;
Implanting a dopant perpendicular to the (110) plane of the wafer;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記ドーパントは、リンまたはボロンであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the dopant is phosphorus or boron. 基板表面側に形成されたトレンチゲート構造と、基板裏面側に形成されたフィールドストップ構造と、を有する絶縁ゲート型バイポーラトランジスタよりなる半導体装置を製造するにあたって、
(110)面を主面とするシリコンウェハに、(110)面に垂直な(001)面がトレンチ側壁に露出するようにトレンチを形成する工程と、
前記トレンチの内側にゲート酸化膜を形成する工程と、
前記ゲート酸化膜の内側にゲート電極を形成する工程と、
前記ウェハの(110)面に対して垂直にドーパントを注入してフィールドストップ層となる深い拡散層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In manufacturing a semiconductor device composed of an insulated gate bipolar transistor having a trench gate structure formed on the substrate front surface side and a field stop structure formed on the substrate back surface side,
Forming a trench in a silicon wafer having a (110) plane as a main surface so that a (001) plane perpendicular to the (110) plane is exposed on the trench sidewall;
Forming a gate oxide film inside the trench;
Forming a gate electrode inside the gate oxide film;
A step of implanting a dopant perpendicular to the (110) plane of the wafer to form a deep diffusion layer to be a field stop layer;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記ドーパントは、リンであることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein the dopant is phosphorus. (110)面を主面とするシリコン半導体基板の表面側に、(110)面に垂直な(001)面をトレンチ側壁とするトレンチが形成され、該トレンチ内にゲート酸化膜を介してゲート電極が設けられたトレンチゲート構造と、
前記シリコン半導体基板の裏面側に形成された、リンまたはボロンをドーパントとして含む深い拡散層と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
A trench having a (001) plane perpendicular to the (110) plane as a trench sidewall is formed on the surface side of the silicon semiconductor substrate having the (110) plane as a main surface, and a gate electrode is formed in the trench via a gate oxide film. A trench gate structure provided with
A deep diffusion layer formed on the back side of the silicon semiconductor substrate and containing phosphorus or boron as a dopant;
A semiconductor device comprising:
(110)面を主面とするシリコン半導体基板の表面側に、(110)面に垂直な(001)面をトレンチ側壁とするトレンチが形成され、該トレンチ内にゲート酸化膜を介してゲート電極が設けられたトレンチゲート構造と、
前記シリコン半導体基板の裏面側に形成された、リンをドーパントとして含むフィールドストップ層となる深い拡散層と、
を有する絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを構成することを特徴とする半導体装置。


A trench having a (001) plane perpendicular to the (110) plane as a trench sidewall is formed on the surface side of the silicon semiconductor substrate having the (110) plane as a main surface, and a gate electrode is formed in the trench via a gate oxide film. A trench gate structure provided with
A deep diffusion layer formed on the back side of the silicon semiconductor substrate and serving as a field stop layer containing phosphorus as a dopant;
A semiconductor device comprising an insulated gate bipolar transistor having


JP2004156527A 2004-05-26 2004-05-26 Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device Pending JP2005340465A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004156527A JP2005340465A (en) 2004-05-26 2004-05-26 Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004156527A JP2005340465A (en) 2004-05-26 2004-05-26 Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2005340465A true JP2005340465A (en) 2005-12-08

Family

ID=35493685

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004156527A Pending JP2005340465A (en) 2004-05-26 2004-05-26 Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2005340465A (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7190027B2 (en) 2003-08-06 2007-03-13 Denso Corporation Semiconductor device having high withstand capacity and method for designing the same
JP2008071916A (en) * 2006-09-14 2008-03-27 Fuji Electric Device Technology Co Ltd Semiconductor device testing method
JP2014049620A (en) * 2012-08-31 2014-03-17 Denso Corp Semiconductor device manufacturing method
US9129851B2 (en) 2011-11-30 2015-09-08 Denso Corporation Semiconductor device
JP2016530712A (en) * 2013-07-26 2016-09-29 クリー インコーポレイテッドCree Inc. Controlled ion implantation into silicon carbide

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000208527A (en) * 1999-01-11 2000-07-28 Fuji Electric Co Ltd Method for manufacturing super junction semiconductor device and super junction semiconductor device
JP2004047967A (en) * 2002-05-22 2004-02-12 Denso Corp Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2004079878A (en) * 2002-08-21 2004-03-11 Toshiba Corp Semiconductor device and manufacturing method thereof

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000208527A (en) * 1999-01-11 2000-07-28 Fuji Electric Co Ltd Method for manufacturing super junction semiconductor device and super junction semiconductor device
JP2004047967A (en) * 2002-05-22 2004-02-12 Denso Corp Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2004079878A (en) * 2002-08-21 2004-03-11 Toshiba Corp Semiconductor device and manufacturing method thereof

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7190027B2 (en) 2003-08-06 2007-03-13 Denso Corporation Semiconductor device having high withstand capacity and method for designing the same
JP2008071916A (en) * 2006-09-14 2008-03-27 Fuji Electric Device Technology Co Ltd Semiconductor device testing method
US9129851B2 (en) 2011-11-30 2015-09-08 Denso Corporation Semiconductor device
JP2014049620A (en) * 2012-08-31 2014-03-17 Denso Corp Semiconductor device manufacturing method
JP2016530712A (en) * 2013-07-26 2016-09-29 クリー インコーポレイテッドCree Inc. Controlled ion implantation into silicon carbide

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102770960B (en) Semiconductor device and manufacture method thereof
US8343862B2 (en) Semiconductor device with a field stop zone and process of producing the same
JP5613995B2 (en) Silicon carbide semiconductor device and manufacturing method thereof
CN102810566B (en) There is high resistant to break the power semiconductor of voltage capability
CN110600537B (en) A split gate CSTBT with PMOS current clamping and its fabrication method
US20130221403A1 (en) Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device
EP0916160A1 (en) Silicon carbide metal-insulator semiconductor field effect transistor
JP2001160559A (en) Method for manufacturing semiconductor device
US8835935B2 (en) Trench MOS transistor having a trench doped region formed deeper than the trench gate
TW200947564A (en) Semiconductor device and method of forming a semiconductor device
JP7574575B2 (en) Silicon carbide semiconductor device and method for manufacturing silicon carbide semiconductor device
JP2024102269A (en) Semiconductor component and method for manufacturing semiconductor component
WO2012150161A1 (en) Bipolar junction transistor in silicon carbide with improved breakdown voltage
KR20180104236A (en) Method of Manufacturing Power Semiconductor Device
JP2014033223A (en) Silicon carbide semiconductor device and method of manufacturing the same
KR20130119873A (en) Power device and method for fabricating the same
CN104517837B (en) A kind of manufacture method of insulated gate bipolar transistor
RU2510099C2 (en) Method to manufacture power semiconductor device
JP2005340465A (en) Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device
JP5248741B2 (en) Reverse blocking insulated gate semiconductor device and method for manufacturing the same
JP2023134909A (en) Semiconductor device and method for manufacturing the same
JP5028749B2 (en) Manufacturing method of semiconductor device
JP2018011030A (en) Reverse blocking MOS semiconductor device and method of manufacturing reverse blocking MOS semiconductor device
KR101907460B1 (en) Power semiconductor device and method of fabricating the same
JP2002353454A (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Effective date: 20070215

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

A711 Notification of change in applicant

Effective date: 20080204

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711

RD03 Notification of appointment of power of attorney

Effective date: 20080204

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20080205

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712

Effective date: 20091112

RD03 Notification of appointment of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423

Effective date: 20091112

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20091112

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20110121

A131 Notification of reasons for refusal

Effective date: 20110201

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

A521 Written amendment

Effective date: 20110404

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712

Effective date: 20110422

A02 Decision of refusal

Effective date: 20111101

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02