JP2010062477A - Trench type semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
【課題】セルフアラインにより微細構造を実現し、オン抵抗を低減化し、破壊耐量が向上する。
【解決手段】第1ベース層11の表面から形成されたトレンチ14の底面14aおよび側壁面14bに配置されたゲート絶縁膜3と、ゲート絶縁膜3上に配置され、トレンチを充填するゲート電極4と、ゲート電極4を被覆する層間絶縁膜5と、第1ベース層11の表面に配置され、トレンチの底面よりも浅く形成された第2ベース層12と、第2ベース層12の表面に配置されたソース層13と、層間絶縁膜5をマスクとして第2ベース層12内まで形成されたセルフアラインコンタクト溝15の底面15aにおいて第2ベース層12に接続され、側壁面15bにおいてソース層13に接続されたソース電極7と、第1ベース層11の裏面に配置されたドレイン層10と、ドレイン層10に配置されたドレイン電極8とを備えるトレンチ型半導体装置及びその製造方法。
【選択図】図1A fine structure is realized by self-alignment, on-resistance is reduced, and breakdown resistance is improved.
A gate insulating film 3 disposed on a bottom surface 14a and a side wall surface 14b of a trench 14 formed from the surface of a first base layer 11, and a gate electrode 4 disposed on the gate insulating film 3 to fill the trench. And an interlayer insulating film 5 covering the gate electrode 4, a second base layer 12 disposed on the surface of the first base layer 11 and formed shallower than the bottom surface of the trench, and a surface of the second base layer 12. The source layer 13 is connected to the second base layer 12 at the bottom surface 15a of the self-aligned contact groove 15 formed up to the second base layer 12 using the interlayer insulating film 5 as a mask, and the source layer 13 is connected to the side wall surface 15b. A trench type comprising a connected source electrode 7, a drain layer 10 disposed on the back surface of the first base layer 11, and a drain electrode 8 disposed on the drain layer 10. Conductor device and a manufacturing method thereof.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、トレンチ型半導体装置及びその製造方法に関し、特に、完全セルフアラインによる微細構造を実現し、オン抵抗を低減化し、破壊耐量が向上するトレンチ型半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a trench type semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a trench type semiconductor device that realizes a fine structure by complete self-alignment, reduces on-resistance, and improves breakdown tolerance, and a method for manufacturing the same.
従来、基板にトレンチが形成され、トレンチ内にゲート電極が形成された縦型絶縁ゲート電界効果トランジスタ(MOSFET:Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)や絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)等のトレンチ型半導体装置及びその製造方法が知られている。このようなトレンチ型半導体装置では、トレンチの開口部を塞ぐように層間絶縁膜が形成される。この層間絶縁膜により、トレンチ内部の電極と外部の電極とが絶縁される。 Conventionally, a vertical insulating gate field effect transistor (MOSFET) or an insulated gate bipolar transistor (IGBT) in which a trench is formed in a substrate and a gate electrode is formed in the trench, etc. A trench type semiconductor device and a manufacturing method thereof are known. In such a trench type semiconductor device, an interlayer insulating film is formed so as to close the opening of the trench. The interlayer insulating film insulates the electrode inside the trench from the external electrode.
特許文献1には、トレンチが形成されたn型シリコン基板と、トレンチの内部に形成されたポリシリコンゲートと、n型シリコン基板の上面に形成された局所酸化膜(層間絶縁膜)とを備えたトレンチ型のMOSトランジスタが開示されている。
n型シリコン基板には、トレンチを挟み両端部に形成された高濃度のp型バルク層と、p型バルク層とトレンチとの間に形成された低濃度のp型バルク層と、p型バルク層の上層部に形成されたn型ソース層とを形成されている。局所酸化膜の一部は、トレンチの内壁面とポリシリコンゲートとの間にも形成されている。 The n-type silicon substrate includes a high-concentration p-type bulk layer formed on both ends of the trench, a low-concentration p-type bulk layer formed between the p-type bulk layer and the trench, and a p-type bulk. An n-type source layer formed in the upper layer portion of the layer is formed. A part of the local oxide film is also formed between the inner wall surface of the trench and the polysilicon gate.
特許文献1に記載のMOSトランジスタの製造方法では、n型シリコン基板にp型バルク層を形成した後、パターニングされたトレンチを形成するためのシリコン窒化膜及び低温酸化膜を形成する。次に、トレンチを形成した後、低温酸化膜を除去する。次に、トレンチ内にポリシリコンゲートを形成する。
In the method of manufacturing a MOS transistor described in
次に、シリコンの局所酸化(LOCOS:Local Oxidation of Silicon)法に基づいて、熱処理することによってポリシリコンゲート上に局所酸化膜を形成する。その後、シリコン窒化膜を除去した後、p型不純物及びn型不純物を順にイオン注入して、低濃度のp型バルク層及びn型バルク層を形成する。ここで、低濃度のp型バルク層及びn型バルク層を形成する層の上面には、薄い熱酸化膜が残っているので、注入されるイオンは、この薄い熱酸化膜を透過する程度の加速電圧で注入される。このため、注入されるイオンの多くは、ポリシリコンゲート上の厚い局所酸化膜を透過して、局所酸化膜の内部には残らない。これにより、特許文献1に記載のMOSトランジスタが完成する。
Next, a local oxide film is formed on the polysilicon gate by heat treatment based on a local oxidation of silicon (LOCOS) method. Thereafter, after the silicon nitride film is removed, p-type impurities and n-type impurities are sequentially ion-implanted to form low-concentration p-type bulk layers and n-type bulk layers. Here, since a thin thermal oxide film remains on the upper surface of the layer forming the low-concentration p-type bulk layer and the n-type bulk layer, ions to be implanted pass through the thin thermal oxide film. Implanted with acceleration voltage. For this reason, many of the implanted ions pass through the thick local oxide film on the polysilicon gate and do not remain inside the local oxide film. Thereby, the MOS transistor described in
しかしながら、特許文献1に記載のMOSトランジスタは、熱処理することにより、ポリシリコンゲートの上面を偏析させて、局所酸化膜を形成している。このため、局所酸化膜によってポリシリコンゲートを絶縁可能な程度の厚みにすることが容易ではないといった課題がある。局所酸化膜をこのように絶縁可能な厚みにするためには、高温または長時間の熱処理といった方法が考えられるが、これらの方法では、製造されるMOSトランジスタの素子特性を劣化させるといった別の問題が発生する。
However, the MOS transistor described in
さらに、トレンチ型のゲート構造を持つMOSFETやIGBT等において、トレンチ−トレンチ間において、ベース層およびエミッタ層若しくはソース層にコンタクトを形成する際、デバイス構造の微細化と共に、コンタクト面積を確保することが困難となっていた。このため、コンタクト面積の縮小に伴い、オン抵抗が増大化し、破壊耐量が低減化するという問題点があった。
本発明の目的は、セルフアラインにより微細構造を実現し、オン抵抗を低減化し、破壊耐量が向上するトレンチ型半導体装置及びその製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a trench type semiconductor device that realizes a fine structure by self-alignment, reduces on-resistance, and improves breakdown resistance, and a method for manufacturing the same.
上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、高抵抗で第1導電型の第1ベース層と、前記第1ベース層の表面から形成されたトレンチの底面および側壁面に配置されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に配置され、前記トレンチを充填するゲート電極と、前記ゲート電極を被覆して配置された層間絶縁膜と、前記第1ベース層の表面に配置され、前記トレンチの底面よりも浅く形成された第2導電型の第2ベース層と、前記第2ベース層の表面に配置された第1導電型の第1主電極層と、前記層間絶縁膜をマスクとして前記第1主電極層を貫通し、前記第2ベース層内まで形成されたセルフアラインコンタクト溝の底面において前記第2ベース層に接続され、前記セルフアラインコンタクト溝の側壁面において前記第1主電極層に接続された第1主電極と、前記第1ベース層の裏面に配置された第2主電極層と、前記第2主電極層に配置された第2主電極とを備える半導体装置が提供される。 According to one aspect of the present invention for achieving the above object, the first base layer of the first conductivity type having high resistance and the bottom surface and the side wall surface of the trench formed from the surface of the first base layer are disposed. A gate insulating film, a gate electrode disposed on the gate insulating film and filling the trench, an interlayer insulating film disposed to cover the gate electrode, and a surface of the first base layer, A second conductive type second base layer formed shallower than the bottom surface of the trench, a first conductive type first main electrode layer disposed on the surface of the second base layer, and the interlayer insulating film as a mask The first main electrode layer is connected to the second base layer at the bottom surface of the self-aligned contact groove formed to the inside of the second base layer, and the first main electrode layer is connected to the side wall surface of the self-aligned contact groove. Electrode layer There is provided a semiconductor device comprising a connected first main electrode, a second main electrode layer disposed on the back surface of the first base layer, and a second main electrode disposed on the second main electrode layer. .
本発明の他の態様によれば、高抵抗で第1導電型の第1ベース層を形成する工程と、前記第1ベース層の表面から形成されたトレンチの底面および側壁面にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上に、前記トレンチを充填するゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極を被覆して層間絶縁膜を形成する工程と、前記第1ベース層の表面に、前記トレンチの底面よりも浅く形成された第2導電型の第2ベース層を形成する工程と、前記第2ベース層の表面に第1導電型の第1主電極層を形成する工程と、前記層間絶縁膜をマスクとして前記第1主電極層を貫通し、前記第2ベース層内まで形成されたセルフアラインコンタクト溝の底面において前記第2ベース層に接続され、前記セルフアラインコンタクト溝の側壁面において、前記第1主電極層に接続された第1主電極を形成する工程と、前記第1ベース層の裏面に第2主電極層を形成する工程と、前記第2主電極層に第2主電極を形成する工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。 According to another aspect of the present invention, a first resistance type first base layer having a high resistance is formed, and a gate insulating film is formed on the bottom surface and the side wall surface of the trench formed from the surface of the first base layer. A step of forming a gate electrode filling the trench on the gate insulating film, a step of forming an interlayer insulating film by covering the gate electrode, and a surface of the first base layer, Forming a second conductivity type second base layer formed shallower than a bottom surface of the trench; forming a first conductivity type first main electrode layer on a surface of the second base layer; A side wall surface of the self-alignment contact groove, which is connected to the second base layer at the bottom surface of the self-alignment contact groove formed through the first main electrode layer using the interlayer insulating film as a mask and into the second base layer. In Forming a first main electrode connected to the first main electrode layer; forming a second main electrode layer on a back surface of the first base layer; and a second main electrode on the second main electrode layer. A method for manufacturing a semiconductor device is provided.
本発明によれば、セルフアラインにより微細構造を実現し、オン抵抗を低減化し、破壊耐量が向上するトレンチ型半導体装置及びその製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a trench type semiconductor device that realizes a fine structure by self-alignment, reduces on-resistance, and improves breakdown tolerance, and a method for manufacturing the same.
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下において、同じブロックまたは要素には同じ符号を付して説明の重複を避け、説明を簡略にする。図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following, the same reference numerals are assigned to the same blocks or elements to avoid duplication of explanation and simplify the explanation. It should be noted that the drawings are schematic and different from the actual ones. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、各構成部品の配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。 The following embodiments exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention. In the embodiments of the present invention, the arrangement of each component is as follows. Not specific. Various modifications can be made to the embodiment of the present invention within the scope of the claims.
本発明の実施の形態に係るトレンチ型半導体装置は、MOSFET若しくはIGBTを対象としている。MOSFETの場合には、第1主電極層13はソース層、第2主電極層10は第1主電極層13と同じ第1導電型のドレイン層を形成し、第1主電極7はソース電極、第2主電極8はドレイン電極を形成する。IGBTの場合には、第1主電極層13はエミッタ層、第2主電極層10は、第1主電極層13と反対の第2導電型のコレクタ層を形成し、第1主電極7はエミッタ電極、第2主電極8はコレクタ電極を形成する。
The trench type semiconductor device according to the embodiment of the present invention is intended for a MOSFET or an IGBT. In the case of MOSFET, the first
以下の説明においては、MOSFETについて主として説明するが、IGBTについても第2主電極層10の導電型が反対になることおよび各主電極の名称を変更すればよいことを想定すれば、MOSFETと同様に考えることができる。
In the following description, the MOSFET is mainly described. However, the IGBT is the same as the MOSFET, assuming that the conductivity type of the second
[第1の実施の形態]
(素子構造)
本発明の第1の実施の形態に係るトレンチ型半導体装置の模式的断面構造は、図1に示すように表される。また、第1の実施の形態に係るトレンチ型半導体装置の格子状平面パターン構成は、図2に示すように表される。図1は、図2において、I−I線に沿う模式的断面構造に対応している。
[First embodiment]
(Element structure)
A schematic cross-sectional structure of the trench type semiconductor device according to the first embodiment of the present invention is expressed as shown in FIG. Moreover, the lattice-like planar pattern configuration of the trench type semiconductor device according to the first embodiment is expressed as shown in FIG. FIG. 1 corresponds to a schematic cross-sectional structure taken along line II in FIG.
本発明の第1の実施の形態に係るトレンチ型半導体装置は、図1に示すように、n-型第1ベース層11と、n-型第1ベース層11の表面から形成されたトレンチ14の底面14aおよび側壁面14bに配置されたゲート絶縁膜3と、ゲート絶縁膜3上に配置され、トレンチ14を充填するゲート電極4と、ゲート電極4を被覆して配置された層間絶縁膜5と、n-型第1ベース層11の表面に配置され、トレンチ14の底面14aよりも浅く形成されたp型第2ベース層12と、p型第2ベース層12の表面に配置されたn+型ソース層13と、層間絶縁膜5をマスクとしてn+型ソース層13を貫通し、p型第2ベース層12内まで形成されたセルフアラインコンタクト溝15の底面15aにおいてp型第2ベース層12に接続され、セルフアラインコンタクト溝15の側壁面15bにおいて、n+型ソース層13に接続されたソース電極7と、n-型第1ベース層11の裏面に配置されたn+型ドレイン層10と、n+型ドレイン層10に配置されたドレイン電極8とを備える。
As shown in FIG. 1, the trench type semiconductor device according to the first embodiment of the present invention includes an n − -type
セルフアラインコンタクト溝15の底面15aには、p+型でp型第2ベース層12よりも不純物密度が高いボディーコンタクト層12aを備えていてもよい。
The
なお、第1べース層11は、基板2からスタートし、第2ベース層12、ソース層13、ドレイン層10の形成と共に厚さが薄くなり、最終的な完成デバイスにおいて、所定の厚さを有する。したがって、図1に示す完成デバイス構造おいては、基板2は、第1べース層11、第2ベース層12、ソース層13、およびドレイン層10を含む層として表されている。
The
層間絶縁膜5は、図1に示すように、LOCOS酸化膜により形成され、ゲート絶縁膜3の一部およびソース層13の一部をも被覆して配置されている。
As shown in FIG. 1, the
セルフアラインコンタクト溝15の底面15aには、図1に示すように、第2ベース層12よりも不純物密度が高いボディーコンタクト層12aを備えていてもよい。
As shown in FIG. 1, a
ソース電極7は、図1に示すように、デバイス表面全面に配置されていてもよい。
As shown in FIG. 1, the
また、ソース電極7は、図1に示すように、下地にバリアメタル層6を備えていてもよい。
Further, the
第1ベース層11および第2ベース層12は、電子の移動度の点で有利となるため、面方位が(100)面を有していてもよい。
Since the
ソース層13の表面から、ソース層13および第2ベース層12を貫通して、第1ベース層11内まで形成されたトレンチ14は、例えば、矩形平面パターンを有する。
The
トレンチ14の底面14aおよび側壁面14bは、電子の移動度の点で有利となるため、いずれも(100)面若しくはこれに平行な面を有していてもよい。
Since the
セルフアラインコンタクト溝15の底面15aおよび側壁面15bは、電子の移動度の点で有利となるため、いずれも(100)面若しくはこれに平行な面を有していてもよい。
Since the
セルフアラインコンタクト溝15は、図2に示すような格子状パターン若しくは図3に示すような千鳥格子状パターンを有する。
The self-aligned
第1の実施の形態に係るトレンチ型半導体装置は、露光量を調整することで、図2に示すような格子状パターンを採用している。図2に示すような格子状パターンは、特に、トレンチ14のパターンの交差部において、露光量のばらつきによるパターンの鈍り(ダレ)が発生しやすい。このパターンの鈍り(ダレ)が発生した部分では、トレンチの内壁面に(100)面とは異なる面方位を発生し易い。図3に示すような千鳥格子状パターンは、トレンチ14のパターンが千鳥格子状にずれて配置されるために、露光量のばらつきによるパターンの鈍り(ダレ)の発生も少ない。また、セルフアラインコンタクト溝15は、図4に示すように、ストライプ形状に形成されていてもよい。
The trench type semiconductor device according to the first embodiment adopts a lattice pattern as shown in FIG. 2 by adjusting the exposure amount. In the lattice pattern as shown in FIG. 2, pattern dulling due to variations in exposure amount is likely to occur particularly at the intersection of the
第1の実施の形態に係るトレンチ型半導体装置の模式的鳥瞰図を図5に示す。図5は、図2の格子状パターンのII−II線に沿う断面構造およびその断面構造を含む鳥瞰構造を示している。図5から明らかなように、第1の実施の形態に係るトレンチ型半導体装置は、セルフアラインコンタクト構造を有することから、上から見た場合、LOCOS酸化膜による層間絶縁膜5以外の領域は、すべてセルフアラインコンタクト溝15が形成されている、このセルフアラインコンタクト溝15に対して、ソース電極7をデバイス構造全面に形成することができる。
FIG. 5 shows a schematic bird's-eye view of the trench type semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 5 shows a cross-sectional structure taken along line II-II of the lattice pattern of FIG. 2 and a bird's-eye view structure including the cross-sectional structure. As is apparent from FIG. 5, since the trench semiconductor device according to the first embodiment has a self-aligned contact structure, when viewed from above, the region other than the interlayer insulating
以下、第1の実施の形態に係るトレンチ型半導体装置1の各層について材質および寸法例を説明する。
Hereinafter, materials and dimension examples of each layer of the trench
基板2は、n-型のシリコンを主体とする。
The
p型第2ベース層12は、例えば、約0.3μm程度の厚みを有する。p型第2ベース層12には、p型の不純物としてB(ボロン)がドープされている。p型第2ベース層12は、例えば、約2.0×1016atoms/cm3程度の不純物密度を有する。
The p-type
n+型ソース層13は、例えば、約0.2μm程度の厚みを有する。n+型ソース層13には、n型の不純物としてAs(砒素)がドープされている。n+型ソース層13は、例えば、約1.0×1019 atoms/cm3程度の不純物密度を有する。
The n +
基板2には、n+型ソース層13を所定の間隔で分割するトレンチ14が形成されている。トレンチ14は、p型第2ベース層12及びn+型ソース層13を貫いている。即ち、トレンチ14は、基板2の上面からn-型第1ベース層11にまで達している。トレンチ14は、例えば、約1μm程度の深さを有し、例えば、約0.25〜0.5μm程度の幅を有する。隣接するトレンチ14とトレンチ14のピッチ間隔は、例えば、約0.6μm〜1.0μm程度である。セルフアラインコンタクト溝15の幅は、例えば、約0.2μm程度である。
A
ゲート絶縁膜3は、基板2とゲート電極4とを絶縁するためのものである。ゲート絶縁膜3は、シリコン酸化膜(SiO2)からなり、例えば、約20nm〜100nm程度の厚みを有する。
The
ゲート電極4は、p型第2ベース層12にチャネルを形成するためのものである。ゲート電極4は、トレンチ14に埋設されている。ゲート電極4は、不純物を含むポリシリコンからなる。
The
層間絶縁膜5は、ゲート電極4とソース電極7とを絶縁するためのものである。
The
層間絶縁膜5は、SiO2を主体とする絶縁材料からなる。層間絶縁膜5は、イオン注入されたAs(砒素)を不純物として含む。ここで、層間絶縁膜5に含まれるAs(砒素)は、層間絶縁膜5の体積を増大させるためのものである。層間絶縁膜5におけるAs(砒素)の不純物濃度は、例えば、約1.0×1019 atoms/cm3〜約1.0×1021atoms/cm3程度である。即ち、層間絶縁膜5におけるAs(砒素)の不純物濃度は、各層11、12、13の不純物濃度よりも大きい。層間絶縁膜5は、例えば、約150nm程度の厚みを有する。層間絶縁膜5の幅は、トレンチ14の幅よりも約10nm〜約20nm程度大きい。
The
ソース電極7は、Al(アルミニウム)またはAl/Cu(銅)からなる。
The
バリアメタル層6は、ソース電極7を構成する金属元素が基板2等に拡散することを抑制するためのものである。バリアメタル層6は、例えば、チタン(Ti)、白金(Pt)、ニッケル(Ni)、タングステン(W)若しくはこれらのシリサイド膜などを適用することができる。
The
バリアメタル層6は、層間絶縁膜5をマスクとしてn+型ソース層13を貫通し、p型第2ベース層12内まで形成されたセルフアラインコンタクト溝15の底面15aにおいてp型第2ベース層12に接続され、セルフアラインコンタクト溝15の側壁面15bにおいて、n+型ソース層13に接続されていてもよい。さらに、バリアメタル層6は、層間絶縁膜5の上面全体を覆うように形成されていてもよい。
The
n+型ドレイン層10は、例えば、約0.2μm程度の厚みを有する。n+型ドレイン層10には、n型の不純物としてAs(砒素)若しくはP(燐)がドープされている。n+型ドレイン層10は、例えば、約1.0×1019 atoms/cm3程度の不純物密度を有する。
The n +
ドレイン電極8は、W(タングステン)からなる。ドレイン電極8は、基板2の下面全体に形成されている。
The
上述したトレンチ型半導体装置1の動作を説明する。
The operation of the above-described trench
まず、ゲート電極4に所定の電圧が印加される。これにより、ゲート絶縁膜3とp型第2ベース層12との界面近傍のp型第2ベース層12にチャネルが形成される。この状態で、ソース電極7とドレイン電極8との間に電圧が印加されると、n+型ソース層13、p型第2ベース層12のチャネル及びn-型第1ベース層11を電子が移動しn+型ドレイン層10に到達する。この結果、ソース電極7とドレイン電極8との間に電流が流れる。
First, a predetermined voltage is applied to the
一方、IGBTの場合には、サイリスタと同様のラッチアップ動作モードで動作するか、或いは、ラッチアップ動作させず、バイポーラトランジスタと同等のノンラッチアップ動作モードで動作する。 On the other hand, in the case of an IGBT, it operates in a latch-up operation mode similar to that of a thyristor, or operates in a non-latch-up operation mode equivalent to that of a bipolar transistor without performing a latch-up operation.
(製造方法)
第1の実施の形態に係るトレンチ型半導体装置の製造方法は、図6〜図18に示すように、高抵抗で第1導電型の第1ベース層11を形成する工程と、第1ベース層11の表面から形成されたトレンチ14の底面14aおよび側壁面14bにゲート絶縁膜3を形成する工程と、ゲート絶縁膜3上に、トレンチ14を充填するゲート電極4を形成する工程と、ゲート電極4を被覆して層間絶縁膜5を形成する工程と、第1ベース層11の表面に、トレンチ14の底面14aよりも浅く形成されたp型第2ベース層12を形成する工程と、第2ベース層12の表面にn+型ソース層13を形成する工程と、層間絶縁膜5をマスクとしてn+型ソース層13を貫通し、p型第2ベース層12内まで形成されたセルフアラインコンタクト溝15の底面15aにおいてp型第2ベース層12に接続され、セルフアラインコンタクト溝15の側壁面15bにおいて、n+型ソース層13に接続されたソース電極7を形成する工程と、第1ベース層11の裏面にn+型ドレイン層10を形成する工程と、n+型ドレイン層10にドレイン電極8を形成する工程とを有する。
(Production method)
The method of manufacturing a trench type semiconductor device according to the first embodiment includes a step of forming a first base layer 11 having a high resistance and a first conductivity type, as shown in FIGS. 11, a step of forming the gate insulating film 3 on the bottom surface 14a and the side wall surface 14b of the trench 14 formed from the surface, a step of forming the gate electrode 4 filling the trench 14 on the gate insulating film 3, and a gate electrode 4, a step of forming an interlayer insulating film 5 by covering 4, a step of forming a p-type second base layer 12 formed shallower than the bottom surface 14 a of the trench 14 on the surface of the first base layer 11, A step of forming an n + -type source layer 13 on the surface of the base layer 12 and a self-aligned contact formed through the n + -type source layer 13 using the interlayer insulating film 5 as a mask and into the p-type second base layer 12 Bottom surface 1 of groove 15 Is connected to the p-type second base layer 12 in 5a, in the side wall surface 15b of the self-aligned contact groove 15, forming a source electrode 7 connected to the n + -type source layer 13, the back surface of the first base layer 11 and a step of forming an n + -type drain layer 10, and forming a drain electrode 8 to the n + -type drain layer 10 to.
層間絶縁膜5は、LOCOS酸化膜により形成され、ゲート絶縁膜3の一部およびソース層13の一部をも被覆して形成されている。
The
ソース電極7を形成する工程において、ソース電極7は、デバイス表面全面に形成されていてもよい。
In the step of forming the
ソース電極7を形成する工程において、ソース電極7の下地にバリアメタル層6を形成する工程を有していてもよい。
The step of forming the
第1ベース層11および第2ベース層12の各形成工程において、第1ベース層11および第2ベース層12は、面方位が(100)面を有することが望ましい。
In each step of forming the
トレンチ14を形成する工程において、トレンチ14は、例えば、平面パターンが矩形構造を有していてもよい。
In the step of forming the
トレンチ14を形成する工程において、トレンチ14の底面14aおよび側壁面14bは、いずれも(100)面を有することが望ましい。
In the step of forming the
セルフアラインコンタクト溝15を形成する工程において、セルフアラインコンタクト溝15の底面15aおよび側壁面15bは、いずれも(100)面若しくは(100)面に平行な面を有することが望ましい。
In the step of forming the self-
セルフアラインコンタクト溝15を形成する工程において、セルフアラインコンタクト溝15は、格子状パターン若しくは千鳥格子状パターンを有していてもよい。
In the step of forming the self-aligned
次に、図面を参照して、上述したトレンチ型半導体装置1の製造方法について説明する。図6〜図18は、第1の実施の形態に係るトレンチ型半導体装置の製造方法を説明する図である。
Next, a manufacturing method of the trench
(a)まず、図6に示すように、基板2上に、例えば、約10nm程度の厚みを有する酸化膜(SiO2膜)31を形成する。尚、酸化膜31の厚みは、例えば、約5nm〜20nmの間で適宜変更可能である。その後、酸化膜31上に、例えば、約75nm程度の厚みを有する窒化膜(SiN膜)32を形成する。尚、窒化膜32の厚みは、例えば、約50nm〜200nmの間で適宜変更可能である。次に、フォトリソグラフィー技術によりレジスト膜(図示略)を窒化膜32上に形成する。その後、図6に示すように、窒化膜32及び酸化膜31の一部をエッチングすることにより、一部に開口部33aが形成された絶縁性のマスク層33を基板2上に形成する(マスク層形成工程)。
(A) First, as shown in FIG. 6, an oxide film (SiO 2 film) 31 having a thickness of about 10 nm is formed on the
(b)次に、図7に示すように、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)法によって、マスク層33から露出された領域の基板2をエッチングにより除去する。これにより、マスク層33から露出された基板2の領域に、上端が開口されたトレンチ14が形成される(トレンチ形成工程)。
(B) Next, as shown in FIG. 7, the
(c)次に、図8に示すように、トレンチ14の内壁部を熱酸化して、SiO2からなるゲート絶縁膜3を形成する。ここで、窒化膜32の下地の酸化膜31には、横方向からの熱酸化によって、バーズビーク(Bird’s Beak)形状のLOCOS酸化膜3aが形成される。
(C) Next, as shown in FIG. 8, the inner wall portion of the
(d)次に、図9に示すように、低圧化学的気相堆積(LPCVD:low Pressure Chemical Vapor Deposition)法により、トレンチ14の内部及びマスク層33の上面にポリシリコン層35を形成する(埋設工程)。
(D) Next, as shown in FIG. 9, a
(e)次に、図10に示すように、ポリシリコン層35がトレンチ14の内部にのみ残るように、ポリシリコン層35の上面をエッチングにより除去する。ここで、マスク層33は、エッチングストッパーとして機能する。このため、マスク層33の下方の基板2は、エッチングされない。
(E) Next, as shown in FIG. 10, the upper surface of the
(f)次に、例えば、約40keV〜約180keV程度の電圧で加速され、例えば、約1.0×1012atoms/cm2〜約1.0×1014atoms/cm2程度のドーズ量のB(ボロン)を基板2の上面からイオン注入する。その後、基板2を加熱することによりB(ボロン)を拡散させて、図11に示すように、p型第2ベース層12を形成する。
(F) Next, acceleration is performed at a voltage of about 40 keV to about 180 keV, for example, and a dose amount of about 1.0 × 10 12 atoms / cm 2 to about 1.0 × 10 14 atoms / cm 2 is used. B (boron) is ion-implanted from the upper surface of the
(g)次に、例えば、約40keV〜約180keVの電圧で加速され、例えば、約1.0×1014atoms/cm2〜約1.0×1016atoms/cm2程度のドーズ量のAs(砒素)を基板2の上面からイオン注入する。その後、図11に示すように、基板2を加熱することにより、As(砒素)を拡散させて、n+型ソース層13を形成する(第2イオン注入工程)。ここで、B(ボロン)及びAs(砒素)は、マスク層33を透過することが可能な加速電圧で注入される。
(G) Next, acceleration is performed at a voltage of, for example, about 40 keV to about 180 keV, for example, As having a dose amount of about 1.0 × 10 14 atoms / cm 2 to about 1.0 × 10 16 atoms / cm 2. (Arsenic) is ion-implanted from the upper surface of the
(h)次に、図12に示すように、ポリシリコン層35を構成するSi(シリコン)とは異なるAs(砒素)イオンを、トレンチ14に埋設されたポリシリコン層35の上面に注入する。ここで、As(砒素)は、例えば、約5×1015atoms/cm2〜5×1016atoms/cm2程度のドーズ量、且つ、例えば、約5keV〜40keV程度の加速電圧で注入される。これにより、ポリシリコン層35の上端部がアモルファス化される。この結果、ポリシリコン層35の上部にイオン注入層36が形成される。尚、本工程におけるAs(砒素)の加速電圧は小さいので、As(砒素)はマスク層33によって遮られる。このため、基板2のn+型ソース層13にAs(砒素)は、ほとんど注入されない。また、As(砒素)イオンが注入されない領域のポリシリコン層35がゲート電極4となる(第1イオン注入工程)。ここで、第1イオン注入工程においてイオン注入されたイオン注入層36のAs(砒素)の不純物濃度は、第2イオン注入工程においてイオン注入された領域12、13の不純物濃度よりも大きい。
(H) Next, as shown in FIG. 12, As (arsenic) ions different from Si (silicon) constituting the
(i)次に、基板2を約900℃で約30分間加熱する。これにより、図13に示すように、As(砒素)イオンが注入されたイオン注入層36が熱酸化されて、体積が増幅する。この結果、トレンチ14の開口を塞ぐように、ゲート電極4の上部に、例えば、約300nm程度の厚みを有する層間絶縁膜(LOCOS絶縁膜)5が形成される(層間絶縁膜形成工程)。ここで、一般的なLOCOS法により層間絶縁膜5を形成してもよい。このする場合、約1100℃で60分程度、基板を加熱する必要がある。上述した第1の実施の形態による製造方法では、一般的なLOCOS法に比べて、低温、且つ、短時間で層間絶縁膜5が形成される。
(I) Next, the
(j)次に、図14に示すように、エッチングによりマスク層33の窒化膜32を除去する。
(J) Next, as shown in FIG. 14, the
(k)次に、図15に示すように、エッチングにより酸化膜31を除去する。ここで、このエッチング工程により、シリコン酸化膜(SiO2膜)を主体とする層間絶縁膜5も一部が除去される。しかしながら、酸化膜31の厚みに比べて層間絶縁膜5の厚みは非常に大きい。このため、層間絶縁膜5の全体から見れば、除去される層間絶縁膜5は、極めて小さく、問題とならない。
(K) Next, as shown in FIG. 15, the
(l)次に、図16に示すように、層間絶縁膜5をマスクとして用いて、自己整合的にセルフアラインコンタクト溝15を形成する。セルフアラインコンタクト溝15の深さは、図16に示すように、n+型ソース層13を貫通し、セルフアラインコンタクト溝15の底面15aは、p型第2ベース層12内まで到達する。上記のセルフアラインコンタクト溝15の形成においては、トレンチ14を形成したシリコンのドライエッチング技術と同様のRIE法を適用することができる(セルフアラインコンタクト溝形成工程)。
(L) Next, as shown in FIG. 16, a self-aligned
(m)次に、図17に示すように、デバイス表面全体を覆うように、バリアメタル層6を形成する。ここで、バリアメタル層6は、セルフアラインコンタクト溝15の底面15aにおいて第2ベース層12に接続され、セルフアラインコンタクト溝15の側壁面15bにおいて、ソース層13に接続される。
(M) Next, as shown in FIG. 17, a
(n)次に、図18に示すように、デバイス表面全体を覆うように、ソース電極7を形成する。
(N) Next, as shown in FIG. 18, the
(o)次に、基板2の裏面を化学的機械的研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)技術によって研磨し、基板2を薄層化した後、第1ベース層11の裏面にn+型ドレイン層10を拡散若しくはイオン注入技術を用いて形成する。基板2を薄層化する理由は、所定の耐圧を確保しつつ、ソース層13とドレイン層10間の電子の走行距離を短くして、高速化を図るためである。
(O) Next, the back surface of the
(o)最後に、基板2の下面にドレイン電極8を形成する。これにより、図1に示すトレンチ型半導体装置1が完成する。
(O) Finally, the
上述したように、第1の実施の形態に係るトレンチ型半導体装置1は、層間絶縁膜5を構成する半導体材料であるSi(シリコン)とは異なるAs(砒素)を層間絶縁膜5にイオン注入している。更に、トレンチ型半導体装置1では、領域12、13の不純物の濃度よりも層間絶縁膜5の不純物の濃度を大きくしている。このため、イオン注入層36を加熱して層間絶縁膜5を形成する工程において、大量のAs(砒素)がイオン注入層36のSi(シリコン)原子間に取り込まれるので、層間絶縁膜5の体積の増幅率を高めることができる。これにより、層間絶縁膜5による絶縁性を高め、ソース電極7とゲート電極4との短絡を抑制することができる。また、一般的なLOCOSによる形成温度および時間に比べて、低温且つ短時間の加熱による酸化及び体積増幅によって、層間絶縁膜5を形成することができる。これにより、各層11、12、13内において、層間絶縁膜5を形成するための加熱により不純物が拡散することを抑制できる。この結果、トレンチ型半導体装置1の素子特性の劣化を抑制できる。
As described above, the trench
第1の実施の形態においては、電極間の層間絶縁膜5をLOCOSによりセルフアラインで形成すると共に、さらにそのLOCOS酸化膜をマスクとして、トレンチ−トレンチ間に自己整合的に微細なコンタクトホールを形成可能となる。
In the first embodiment, the
第1の実施の形態によれば、層間絶縁膜5が半導体材料とその半導体材料とは異なる元素からなる不純物を含むとともに、層間絶縁膜5の不純物の濃度を基板に形成された半導体領域の不純物の濃度よりも大きくしている。これにより、層間絶縁膜5の体積を容易に増大させて、厚く形成することができる。
According to the first embodiment, the
第1の実施の形態によれば、トレンチ14の上部の層間絶縁膜5をマスクとして、従来コンタクトを形成していた領域に、ソース層13の拡散深さよりも深いセルフアラインコンタクト溝15を形成する。これによって、セルフアラインコンタクト溝15の側壁面15bでソースコンタクトをとり、また、セルフアラインコンタクト溝15の底面15aでボディーコンタクトを取るようにしている。このセルフアラインコンタクト構造によって、従来構造よりも大幅にコンタクト面積を増大することができ、コンタクト抵抗を低減し、オン抵抗の低減化を図ることができる。
According to the first embodiment, the self-aligned
第1の実施の形態によれば、セルフアラインコンタクト溝15の構造によって、コンタクト面積が増大するため、電流経路であるソースコンタクト部のコンタクト抵抗が低減し、MOSFET導通時のオン抵抗が低減できる。
According to the first embodiment, the contact area is increased due to the structure of the self-aligned
さらに、第1の実施の形態によれば、微細化の問題点であったボディーコンタクトの接続方法、および接触面積に関してもセルフアラインコンタクトホールの底部において、セルフアラインかつ確実に接続できることから、リソグラフィープロセスの限界までの微細化が可能であり、アバランシェ破壊やボディーダイオード(BD:Body Diode)破壊等に対する破壊耐量の向上も実現することができる。 Furthermore, according to the first embodiment, the body contact connection method, which has been a problem of miniaturization, and the contact area can be connected in a self-aligned and reliable manner at the bottom of the self-aligned contact hole. Therefore, it is possible to improve the destruction resistance against avalanche destruction, body diode (BD) destruction, and the like.
LOCOS層間膜を形成し、SiN膜を除去した後、ソース層13の接合深さよりも深く、全面シリコンエッチングする。この工程によって、自己整合的にシリコンエッチング領域を決定し、微細化が可能となる。
After the LOCOS interlayer film is formed and the SiN film is removed, the entire surface is etched with silicon deeper than the junction depth of the
また、マスク層33が、トレンチ14を形成する工程のマスクとして機能するとともに、層間絶縁膜5を形成する工程でのマスクとして機能する。即ち、トレンチ14と層間絶縁膜5とをセルフアライメントにより形成することができる。これにより、トレンチ14と層間絶縁膜5との相対位置がずれることを抑制することができるので、トレンチ14の上端部の正確な位置に層間絶縁膜5を形成することができる。
Further, the
さらに、セルフアラインメントに形成された層間絶縁膜5を用いて、セルフアラインメントに、セルフアラインコンタクト溝15を形成でき、コンタクト面積を増大することができ、コンタクト抵抗を低減し、オン抵抗の低減化を図ることができる。
Further, by using the
第1の実施の形態によれば、トレンチ型のゲート構造を持つMOSFET,IGBT等において、トレンチ上部に必要な電極間層間膜をLOCOSによりセルフアラインで形成すると共に、さらにそのLOCOS酸化膜をマスクとして、トレンチ−トレンチ間にシリコン溝を形成し、掘り込んだ溝に金属層を形成する。これによって、自己整合的にコンタクトホールを形成することができる。このセルフアラインコンタクトによって、縦方向にコンタクトを取ることが可能となることから、微細化の問題点であったコンタクト面積に関しても改善することができ、オン抵抗の低減化や破壊耐量の向上を図ることができる。 According to the first embodiment, in a MOSFET, IGBT, or the like having a trench type gate structure, an interelectrode interlayer film necessary for the upper part of the trench is formed by self-alignment by LOCOS, and the LOCOS oxide film is further used as a mask. Then, a silicon groove is formed between the trenches, and a metal layer is formed in the dug groove. As a result, contact holes can be formed in a self-aligned manner. This self-aligned contact makes it possible to make contact in the vertical direction, so the contact area, which was a problem of miniaturization, can be improved, and the on-resistance and the breakdown resistance are improved. be able to.
第1の実施の形態によれば、完全セルフアラインによる微細構造を実現し、オン抵抗を低減化し、破壊耐量が向上するトレンチ型半導体装置及びその製造方法を提供することができる。 According to the first embodiment, it is possible to provide a trench type semiconductor device that realizes a fine structure by complete self-alignment, reduces on-resistance, and improves breakdown resistance, and a method for manufacturing the same.
[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は第1の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
[Other embodiments]
As described above, the present invention has been described according to the first embodiment. However, it should be understood that the descriptions and drawings constituting a part of this disclosure are illustrative and limit the present invention. Absent. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
例えば、第1の実施の形態においては、MOSFETに適用した実施の形態について説明したが、IGBT等の他のトレンチ型半導体装置に本発明を適用してもよい。 For example, in the first embodiment, the embodiment applied to the MOSFET has been described. However, the present invention may be applied to other trench type semiconductor devices such as IGBTs.
また、上述した実施の形態における各構成の材料、形状、数値等は適宜変更可能である。 In addition, the materials, shapes, numerical values, and the like of the components in the above-described embodiments can be changed as appropriate.
例えば、層間絶縁膜5に注入される元素(イオン)は、B(ボロン)、N(窒素)、O(酸素)、Ne(ネオン)、P(リン)、Ar(アルゴン)、Kr(クリプトン)、Sb(アンチモン)等を適用することができる。また、層間絶縁膜5に注入される元素の不純物濃度は、基板2に形成されるp型第2ベース層12及びn+型ソース層13の不純物密度よりも大きければ適宜変更可能である。例えば、層間絶縁膜5に注入される元素の不純物密度を、例えば、約1.0×1014atoms/cm3〜約1.0×1021atoms/cm3程度の間に設定してもよい。
For example, the elements (ions) implanted into the
また、p型第2ベース層12及びn+型ソース層13に不純物を注入する際の加速電圧は、マスク層33を透過できれば適宜変更可能である。例えば、p型第2ベース層12及びn+型ソース層13に不純物を注入する際の加速電圧を、約20keV〜約180keVの間に設定してもよい。
Further, the acceleration voltage at the time of implanting impurities into the p-type
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。 As described above, the present invention includes various embodiments not described herein.
本発明の半導体装置は、DC−DCコンバータ、PWMインバータをはじめとする、低電力から大電力の各種AC−AC、AC−DC、DC−DC、DC−AC電力変換装置などに適用可能であり、具体的には、高耐圧MOSFET或いはIGBTを使用するブリッジ回路、LCDインバータ、モータ、自動車用HID(High Intensity Discharge lamp)ヘッドライト点灯装置などに適用可能である。 The semiconductor device of the present invention can be applied to various AC-AC, AC-DC, DC-DC, DC-AC power converters, etc. from low power to large power including DC-DC converters and PWM inverters. Specifically, the present invention can be applied to a bridge circuit using a high voltage MOSFET or IGBT, an LCD inverter, a motor, an automobile HID (High Intensity Discharge lamp) headlight lighting device, and the like.
1…トレンチ型半導体装置
2…基板
3…ゲート絶縁膜
3a…LOCOS酸化膜
4…ゲート電極
5…層間絶縁膜(LOCOS絶縁膜)
6…バリアメタル層
7…第1主電極(ソース電極、エミッタ電極)
8…第2主電極(ドレイン電極、コレクタ電極)
10…第2主電極層(ドレイン層、コレクタ層)
11…第1ベース層
12…第2ベース層
12a…ボディーコンタクト層
13…第1主電極層(ソース層、エミッタ層)
14…トレンチ
14a…トレンチの底面
14b…トレンチの側壁面
15…セルフアラインコンタクト溝
15a…セルフアラインコンタクト溝の底面
15b…セルフアラインコンタクト溝の側壁面
31…酸化膜
32…窒化膜
33…マスク層
33a…開口部
35…ポリシリコン層
36…イオン注入層
DESCRIPTION OF
6 ...
8 ... Second main electrode (drain electrode, collector electrode)
10: Second main electrode layer (drain layer, collector layer)
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (23)
前記第1ベース層の表面から形成されたトレンチの底面および側壁面に配置されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に配置され、前記トレンチを充填するゲート電極と、
前記ゲート電極を被覆して配置された層間絶縁膜と、
前記第1ベース層の表面に配置され、前記トレンチの底面よりも浅く形成された第2導電型の第2ベース層と、
前記第2ベース層の表面に配置された第1導電型の第1主電極層と、
前記層間絶縁膜をマスクとして前記第1主電極層を貫通し、前記第2ベース層内まで形成されたセルフアラインコンタクト溝の底面において前記第2ベース層に接続され、前記セルフアラインコンタクト溝の側壁面において、前記第1主電極層に接続された第1主電極と、
前記第1ベース層の裏面に配置された第2主電極層と、
前記第2主電極層に配置された第2主電極と
を備えることを特徴とするトレンチ型半導体装置。 A first base layer of high resistance and first conductivity type;
A gate insulating film disposed on a bottom surface and a side wall surface of a trench formed from the surface of the first base layer;
A gate electrode disposed on the gate insulating film and filling the trench;
An interlayer insulating film disposed to cover the gate electrode;
A second base layer of a second conductivity type disposed on a surface of the first base layer and formed shallower than a bottom surface of the trench;
A first main electrode layer of a first conductivity type disposed on a surface of the second base layer;
Using the interlayer insulating film as a mask, it penetrates through the first main electrode layer and is connected to the second base layer at the bottom surface of the self-aligned contact groove formed to the inside of the second base layer. On the wall, a first main electrode connected to the first main electrode layer;
A second main electrode layer disposed on the back surface of the first base layer;
A trench type semiconductor device comprising: a second main electrode disposed on the second main electrode layer.
前記第1ベース層の表面から形成されたトレンチの底面および側壁面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上に、前記トレンチを充填するゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極を被覆して層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第1ベース層の表面に、前記トレンチの底面よりも浅く形成された第2導電型の第2ベース層を形成する工程と、
前記第2ベース層の表面に第1導電型の第1主電極層を形成する工程と、
前記層間絶縁膜をマスクとして前記第1主電極層を貫通し、前記第2ベース層内まで形成されたセルフアラインコンタクト溝の底面において前記第2ベース層に接続され、前記セルフアラインコンタクト溝の側壁面において、前記第1主電極層に接続された第1主電極を形成する工程と、
前記第1ベース層の裏面に第2主電極層を形成する工程と、
前記第2主電極層に第2主電極を形成する工程と
を有することを特徴とするトレンチ型半導体装置の製造方法。 Forming a first base layer of high conductivity and first conductivity type;
Forming a gate insulating film on a bottom surface and a side wall surface of a trench formed from the surface of the first base layer;
Forming a gate electrode filling the trench on the gate insulating film;
Forming an interlayer insulating film by covering the gate electrode;
Forming a second conductivity type second base layer formed shallower than a bottom surface of the trench on a surface of the first base layer;
Forming a first conductive type first main electrode layer on a surface of the second base layer;
Using the interlayer insulating film as a mask, it penetrates through the first main electrode layer and is connected to the second base layer at the bottom surface of the self-aligned contact groove formed to the inside of the second base layer. Forming a first main electrode connected to the first main electrode layer on the wall surface;
Forming a second main electrode layer on the back surface of the first base layer;
Forming a second main electrode on the second main electrode layer. A method of manufacturing a trench type semiconductor device, comprising:
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