JP2008098593A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】パワーMOSFETは、ドレインを構成する半導体基板1,3、半導体基板3の表面に形成されたトレンチ5、トレンチ5内にゲート絶縁膜7を介して形成されたポリシリコンからなるゲート電極9、半導体基板3の表面側に形成されたボディ拡散層11、半導体基板3の表面にソース拡散層13、ゲート電極9上に形成された層間絶縁膜18、半導体基板3上に形成されたソース電極膜19を備えている。ゲート電極9の上面及び層間絶縁膜18の上面はトレンチ5内で半導体基板3の表面よりも落ち込んで形成されており、トレンチ5の半導体基板表面部分5aがテーパ形状に形成されている。
【選択図】図1
Description
図18は従来のパワーMOSFETのセル部を示す断面図である。
このようなパワーMOSFETは例えば特許文献1に記載されている。
図19は従来の他のパワーMOSFETのセル部を示す断面図である。
この構造だとメサ幅(トレンチ−トレンチ間距離)を狭くしても、図18に示した構造以上のソース拡散層13とソース電極膜19の接触面積を確保することができる。
この不具合より、ソース電極膜19の電流の流れを妨げるという問題や、ワイヤーボンディング時の衝撃を吸収できない問題があった。
本発明はかかる課題に鑑み、トレンチ型パワーMOSFETを備えた半導体装置及びその製造方法において、ソース電極膜とゲート電極を制御よく絶縁し、かつソース電極膜のボイドの発生を防止することを目的とするものである。
本願特許請求の範囲及び本明細書において、半導体基板の単語にはエピタキシャル成長層も含む。
また、上記層間絶縁膜はシリコン窒化膜を含んでいるようにしてもよい。
ここで、ボディ拡散層とソース拡散層を形成する工程は、トレンチを形成する前であってもよいし、トレンチを形成した後であってもよい。
また、上記層間絶縁膜形成工程で上記層間絶縁膜としてシリコン窒化膜を含んでいるものを形成するようにしてもよい。
また、上記トレンチ形成工程は、等方性エッチングにより上記半導体基板のトレンチ形成予定領域に凹部を形成した後、その凹部よりも小さい幅でその凹部よりも深くトレンチを形成する工程を含む例を挙げることができる。
本発明の製造方法では、半導体基板に、半導体基板表面部分にテーパ形状をもつトレンチを形成するトレンチ形成工程と、トレンチ内に上面が上記半導体基板の表面よりも落ち込んでいるポリシリコンからなるゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、ゲート電極上に上面が上記半導体基板の表面よりも落ち込んでいる上記層間絶縁膜を形成する層間絶縁膜形成工程と、半導体基板上及び上記層間絶縁膜上にソース電極膜を形成するソース電極膜形成工程と、をその順に含むようにした。
本発明の半導体装置及び製造方法によれば、トレンチは半導体基板表面部分にテーパ形状をもつので、ソース電極膜のカバレッジを良好にすることができ、ソース電極膜のボイドの発生を防止することができる。そして、カバレッジが良くなることにより、ワイヤーボンディング、バンプメッキのダメージが小さくなる。さらに、層間絶縁膜の上面は半導体基板の表面よりも落ち込んでいるので、ゲート電極上でソース電極膜厚が厚くなり、ソース電極膜の抵抗を下げることができる。
さらに、トレンチの半導体基板表面部分をテーパ形状にすることにより、ゲート電極−ソース電極膜間の層間絶縁膜をカバレッジ良く安定した膜厚で形成することができ、ゲート電極とソース電極膜を安定して絶縁できる。また、層間絶縁膜の膜厚を安定させることにより、ゲート電極とソース電極膜間の寄生容量を安定させることができる。
本発明の製造方法において、ゲート電極形成工程で、ポリシリコンの一部分を半導体基板上に引き出して残存させておき、層間絶縁膜形成工程とソース電極膜形成工程の間に、半導体基板上に引き出されたポリシリコン部分の上の層間絶縁膜上に第2層間絶縁膜を形成する第2層間絶縁膜形成工程を含み、ソース電極膜形成工程で半導体基板上、層間絶縁膜上及び第2層間絶縁膜上にソース電極膜を形成するようにしてもよい。
このようにすれば、第2層間絶縁膜を層間絶縁膜とは膜厚を異ならせて別途形成することができ、ポリシリコン引出し部の大きな段差を厚い第2層間絶縁膜で覆うことができ、ゲート電極とソース電極膜の絶縁性を向上させることができる。
本発明の製造方法において、層間絶縁膜形成工程で層間絶縁膜としてシリコン窒化膜を含んでいるものを形成するようにしてもよい。
このようにすれば、例えば上述の第2層間絶縁膜としてBPSG(Boro-Phospho Silicate glass)を形成する場合等、層間絶縁膜の上層から水分や水素、不純物イオン等がゲート電極へ侵入するのを防止することができ、パワーMOSFETのしきい値電圧の経時変動を少なくすることができる。
本発明の製造方法において、層間絶縁膜形成工程で層間絶縁膜をゲート電極上からトレンチの半導体基板表面部分にわたって配置して層間絶縁膜の表面に凹部を形成し、層間絶縁膜形成工程とソース電極膜形成工程の間に、凹部に金属材料を埋め込む工程を含むようにしてもよい。
これにより、ゲート電極上の凹凸をさらに小さくすることができ、ソース電極膜のカバレッジを良好にすることができる。
まず、この実施例のセル部について図1及び図2を参照して説明する。
トレンチ5内にゲート絶縁膜7を介してポリシリコンからなるゲート電極9が形成されている。ゲート電極9の上面はトレンチ5内でN型エピタキシャル層3の表面よりも落ち込んで形成されている。ここで、リセス深さ(N型エピタキシャル層3の表面からのエッチング深さ)は例えば0.4μmである。
N型エピタキシャル層3の表面にトレンチ5に隣接してN型ソース拡散層13が形成されている。N型ソース拡散層13の形成深さはP型ボディ拡散層11よりも浅く、リセスより深くする必要がある。例えば0.5μmである。
P型ボディ拡散層11にソーストレンチ14の底部を囲ってトレンチ5とは間隔をもってP型コンタクト拡散層(P+)15が形成されている。
ソーストレンチ14、バリアメタル16及びタングステンプラグ17の図2での図示は省略している。
層間絶縁膜18及びソース電極膜19の図2での図示は省略している。
N型単結晶シリコン基板1の反対側のN型エピタキシャル層3とは反対側の面に例えば銀などの金属膜からなるドレイン電極(図示は省略)が形成されている。
N型エピタキシャル層3の周縁部近傍に例えばシリコン酸化膜からなるフィールド酸化膜21が枠状に形成されている。ゲート電極9の引き出し部は、上方から見てフィールド酸化膜21よりも中央側に設けられている。N型エピタキシャル層3に、フィールド酸化膜21下からゲート電極9の引き出し部近傍にわたってP型ウエル(P−well)23が形成されている。N型エピタキシャル層3の周縁部にN型ソース拡散層(N+)13が形成されている。
図1及び図5から図12を参照して製造方法の一実施例を説明する。
(3)シリコン酸化膜35を除去する。
(5)熱酸化膜37を除去する。
(7)CVD法により、ゲート絶縁膜7上にリンをドープしたポリシリコン膜39を形成する。トレンチ5内部はポリシリコン膜39で充填される。ここではリンドープポリシリコン膜39を形成したが、ノンドープポリシリコン膜を形成した後にリンをドープするようにしてもよい。
(12)イオン注入技術により、そのレジストパターンをマスクにして、N型エピタキシャル層3にリン又はヒ素を注入する。レジストパターンを除去した後、熱拡散処理を施してN型ソース拡散層13を形成する。例としてヒ素を注入する場合で説明すると、ヒ素を30〜100keVのエネルギー、1.0×1015〜5.0×1016/cm2のドーズ量の条件で注入し、1000〜1100℃で数十分の熱拡散処理を行なうことで、N型ソース拡散層13を0.45〜0.7μm程度の深さに形成することができる。そして、熱拡散処理に引き続き、N型エピタキシャル層3表面及びゲート電極9上面に25nm程度の熱酸化膜43を形成する。N型ソース拡散層13の形成深さは、トレンチ5より浅く、ゲート電極9上面より深く、かつP型ボディ拡散層11より浅くなるように形成する。ここでは、N型ソース拡散層13の形成深さは0.5μmとする。
(14)CVD法により、シリコン酸化膜18a上にシリコン窒化膜18bを30nm程度の膜厚に形成する。これにより、シリコン酸化膜18aとシリコン窒化膜18bの積層膜からなる層間絶縁膜18が形成される。
(15)CVD法により、シリコン窒化膜18b上にNSG膜とBPSG膜の積層膜からなるシリコン酸化膜45を800nm程度の膜厚に形成する。シリコン酸化膜45は第2層間絶縁膜27(図3を参照)となる膜である。
(20)CVD法等により、タングステンを堆積する。そして、タングステン及びバリアメタル16に対してエッチバックすることにより、ソーストレンチ14内にタングステンプラグ17を形成する(図3も参照)。
この実施例が図1に示した実施例と異なる点は、トレンチ5内のゲート電極9上に形成された層間絶縁膜19の凹部にバリアメタル16及びタングステンプラグ17(金属材料)が残存している点である。この実施例は、図1及び図5から図12を参照して説明した上記製造方法の実施例の上記工程(20)で、タングステン及びバリアメタル16に対するエッチバック量を調整することにより形成することができる。
がわかる。
図15は製造方法の他の実施例の工程の一部を説明するための断面図である。
(2)ケミカルドライエッチング等の等方性エッチング技術により、シリコン酸化膜35をマスクにしてN型エピタキシャル層3をエッチングして、トレンチ用の凹部5bを形成する。
(3)異方性エッチング技術により、シリコン酸化膜35をマスクにしてN型エピタキシャル層3をエッチングして、トレンチ5を形成する。これにより、肩部5aにテーパ形状をもつトレンチ5を形成することができる。
例えば、上記実施例ではNチャネル型のパワーMOSFETに本発明を適用しているが、P型半導体基板を用い、実施例とは反対導電型でパワーMOSFETを作成するようにすれば、Pチャネル型パワーMOSFETにも本発明を適用できる。そして、シリコン基板とエピタキシャル成長層が互いに異なる導電型のものを使用すれば、IGBT(Insulated gate bipolar mode transistor)にも適用できる。
また、P型ボディ拡散層11とN型ソース拡散層13は、トレンチ5の形成前に形成してもよい。
また、接続孔29のホールはストライプ形状であってもよい。接続孔29の径又はストライプ幅をソーストレンチ幅とほぼ同じにして、タングステンプラグが十分残るようにしてもよい。その場合は、チップ面積縮小の効果が得られ、さらにゲート電極用金属膜の平坦性が向上する。
また、トレンチ5の底部の形状は、U字型の形状のものを例示したが、矩形でも、V字でもよい。
3 N型エピタキシャル層
5 トレンチ
7 ゲート絶縁膜
9 ゲート電極
11 P型ボディ拡散層
13 N型ソース拡散層
23 Pウエル
Claims (10)
- ドレインを構成する半導体基板と、前記半導体基板の表面に形成されたトレンチと、前記トレンチ内にゲート絶縁膜を介して形成されたポリシリコンからなるゲート電極と、前記半導体基板の表面側に前記トレンチに隣接して前記トレンチよりも浅く形成されたボディ拡散層と、前記半導体基板の表面に前記トレンチ及び前記ボディ拡散層に隣接して前記ボディ拡散層よりも浅く形成されたソース拡散層と、前記ゲート電極上に形成された層間絶縁膜と、前記ゲート電極とは絶縁され前記ボディ拡散層及び前記ソース拡散層と電気的に接続されて前記半導体基板上に形成された金属材料からなるソース電極膜をもつパワーMOSFETを備えた半導体装置において、
前記ゲート電極の上面及び前記層間絶縁膜の上面は前記トレンチ内で前記半導体基板の表面よりも落ち込んで形成されており、
前記トレンチの半導体基板表面部分がテーパ形状に形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 前記ゲート電極のポリシリコンは一部分が前記半導体基板上に引き出されており、前記半導体基板上に引き出された前記ポリシリコン部分の上で前記層間絶縁膜と前記ソース電極膜の間に第2層間絶縁膜が形成されている請求項1に記載の半導体装置。
- 前記層間絶縁膜はシリコン窒化膜を含んでいる請求項1又は2に記載の半導体装置。
- 前記層間絶縁膜は前記ゲート電極上から前記トレンチの半導体基板表面部分にわたって配置されて表面に凹部が形成されており、その凹部に金属材料が埋め込まれている請求項1から3のいずれか一項に記載の半導体装置。
- ドレインを構成する半導体基板と、前記半導体基板の表面に形成されたトレンチと、前記トレンチ内にゲート絶縁膜を介して形成されたポリシリコンからなるゲート電極と、前記半導体基板の表面側に前記トレンチに隣接して前記トレンチよりも浅く形成されたボディ拡散層と、前記半導体基板の表面に前記トレンチ及び前記ボディ拡散層に隣接して前記ボディ拡散層よりも浅く形成されたソース拡散層と、前記ゲート電極上に形成された層間絶縁膜と、前記ゲート電極とは絶縁され前記ボディ拡散層及び前記ソース拡散層と電気的に接続されて前記半導体基板上に形成された金属材料からなるソース電極膜をもつパワーMOSFETを備えた半導体装置の製造方法において、
半導体基板に、半導体基板表面部分にテーパ形状をもつトレンチを形成するトレンチ形成工程と、
前記トレンチ内にポリシリコンを埋め込んだ後、前記ポリシリコンの上面側の一部分をエッチング除去して、上面が前記半導体基板の表面よりも落ち込んでいる前記ポリシリコンからなるゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、
前記ゲート電極上に、上面が前記半導体基板の表面よりも落ち込んでいる前記層間絶縁膜を形成する層間絶縁膜形成工程と、
前記半導体基板上及び前記層間絶縁膜上にソース電極膜を形成するソース電極膜形成工程と、をその順に含むことを特徴とする製造方法。 - 前記ゲート電極形成工程で、前記ポリシリコンの一部分を前記半導体基板上に引き出して残存させておき、
前記層間絶縁膜形成工程と前記ソース電極膜形成工程の間に、前記半導体基板上に引き出された前記ポリシリコン部分の上の前記層間絶縁膜上に第2層間絶縁膜を形成する第2層間絶縁膜形成工程を含み、
前記ソース電極膜形成工程で前記半導体基板上、前記層間絶縁膜上及び前記第2層間絶縁膜上に前記ソース電極膜を形成する請求項5に記載の製造方法。 - 前記層間絶縁膜形成工程で前記層間絶縁膜としてシリコン窒化膜を含んでいるものを形成する請求項5又は6に記載の製造方法。
- 前記層間絶縁膜形成工程で前記層間絶縁膜を前記ゲート電極上から前記トレンチの半導体基板表面部分にわたって配置して前記層間絶縁膜の表面に凹部を形成し、
前記層間絶縁膜形成工程と前記ソース電極膜形成工程の間に、前記凹部に金属材料を埋め込む工程を含む請求項5から7のいずれか一項に記載の製造方法。 - 前記トレンチ形成工程は、前記半導体基板にトレンチを形成した後、熱酸化処理を施して前記トレンチの半導体基板表面部分をテーパ形状にする工程を含む請求項5から8のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記トレンチ形成工程は、等方性エッチングにより前記半導体基板のトレンチ形成予定領域に凹部を形成した後、その凹部よりも小さい幅でその凹部よりも深くトレンチを形成する工程を含む請求項5から8のいずれか一項に記載の製造方法。
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