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JP2941823B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

半導体装置及びその製造方法

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JP2941823B2
JP2941823B2 JP63298386A JP29838688A JP2941823B2 JP 2941823 B2 JP2941823 B2 JP 2941823B2 JP 63298386 A JP63298386 A JP 63298386A JP 29838688 A JP29838688 A JP 29838688A JP 2941823 B2 JP2941823 B2 JP 2941823B2
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正敏 森川
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    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D30/00Field-effect transistors [FET]
    • H10D30/60Insulated-gate field-effect transistors [IGFET]
    • H10D30/64Double-diffused metal-oxide semiconductor [DMOS] FETs
    • H10D30/66Vertical DMOS [VDMOS] FETs
    • H10D30/668Vertical DMOS [VDMOS] FETs having trench gate electrodes, e.g. UMOS transistors
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10D62/00Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers
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    • H10D62/126Top-view geometrical layouts of the regions or the junctions
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    • H10D62/393Body regions of DMOS transistors or IGBTs 

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  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
  • Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体装置の製造方法に係り、特にいわゆ
る縦型の絶縁ゲート型(以下MISと略す)電界効果トラ
ンジスタ(以下FETと略す)を有する半導体装置の製造
方法に関する。
〔従来の技術〕
従来、チャネルの電流が基板に対し縦に流れるいわゆ
る縦型のMISFETについては、特開昭58−3287及びアイ・
イー・デー・エム、テクニカル ダイジェスト、第674
頁〜第677頁(1987)(IDEM,Technical Digest pp.674
〜677(1987))に論じられている。前者に記載のMISFE
Tの断面図を第7図に示す。高濃度半導体基板1上にn
型ドレイン領域2、p型ベース領域3、n型ソース領域
4が順次形成され、上記n型ソース領域4からn型ドレ
イン領域2に達するように形成された溝中にゲート絶縁
膜5を介してゲート電極6が埋め込まれている。7はソ
ース電極、8はドレイン電極、9はシリコン酸化膜であ
る。このMISFETは、チャネルの電流が縦に流れるため、
単位セル当りの電流密度が増大し、オン抵抗が減少して
いる。また、ソース領域がプレーナー型より小さく形成
されているので、ソースをエミッタとし、ドレイン領域
2とベース領域3とで構成される寄生バイポーラトラン
ジスタの動作が低く抑えられ、L負荷ラッチング耐量や
熱的破壊強度が向上した。
また、上述の従来技術の他に、特開昭63−224260号公
報に開示されている如き縦型のMOSFETが知られている。
しかし、そのMOSFETの場合、ソース電極の段切れが問題
となる。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記従来技術は、素子の信頼性について十分な配慮が
なされておらず、L負荷ラッチング耐量がなお不十分で
あるという問題があった。
本発明の目的は、L負荷ラッチング耐量の向上した信
頼性に優れた半導体装置の製造方法を提供することにあ
る。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的を達成するために、本発明の半導体装置の製
造方法は、第1導電型の半導体基板主面に、第1導電型
であって、上記半導体基板の不純物濃度よりも低濃度の
半導体層が形成された半導体本体を準備する工程、上記
半導体層内に第2導電型の不純物を導入してチャネル領
域となる第1の領域を設ける工程、第1の領域主面上に
絶縁膜を形成する工程、この絶縁膜に第1開孔部を設
け、該第1開孔部を通して第1の領域に第2導電型の不
純物を導入して、底部が第1の領域の底部より深く、上
記半導体層内に位置した第2の領域を設ける工程、上記
絶縁膜に第2開孔部を設け、第2開孔部を通して第1の
領域に第1導電型の不純物を導入して、第2開孔部から
第1の領域に伸びる第3の領域を設ける工程、第2開孔
部内の第1の領域をエッチングし、第2の領域の底部よ
り浅く、第1の領域の底部より深い溝を形成する工程及
び溝内にゲート絶縁膜を介してゲート電極を設ける工程
を含むようにしたものである。
〔作用〕
本発明は、前記第2の領域(後に説明する第1図の高
濃度ベース領域13)から下方に空乏層が延び、ブレーク
ダウンが発生する。そのためL負荷ラッチング耐量は向
上する。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を第1図により説明する。第
1図は縦型パワーMOSFETの主要セル部の断面構造図であ
る。抵抗率が0.01Ω・cmのn形高濃度半導体基板1の上
に抵抗率が0.8Ω・cm、厚さが10μmのn形エピタキシ
ャル層からなるドレイン領域2、その上にシート抵抗が
500Ω/□、深さが1.0μmのp形ベース領域3が形成さ
れている。この領域は前記第1の領域に相当するが以下
ベース領域という。この領域の一部はp形の高濃度ベー
ス領域13が存在し、その深さは1.5μmである、表面か
らドレイン領域2に達する溝中には、厚さ50nmのゲート
酸化膜5が周囲に設けられ、その中に多結晶シリコンの
ゲート電極6が設けられている。溝の外側上部には、溝
に接してシート抵抗が500Ω/□、深さが0.5μmのn形
高濃度ソース領域4が設けられている。7はAlのソース
電極、8はTi−Ni−Agのドレイン電極そして9はシリコ
ン酸化膜である。
第2図はこの縦型パワーMOSFETの製造プロセスを示す
主要部の断面構造図である。(a)n+高濃度半導体基板
1の上にn形エピタキシャル層を成長させp型ベース領
域3を1.0μmの深さに形成する。(b)厚さ0.2μmの
シリコン窒化膜10を所望のパターンに形成し、その上に
ホトレジスト103を所望のパターンに形成する。高エネ
ルギーイオン打ち込みによりBを1×1015cm打ち込み、
ホトレジスト膜103を除去後熱処理によりBを拡散し高
濃度ベース領域13を1.45μmの深さ迄形成する。従って
この状態では(b)に示した断面構造からホトレジスト
膜103が除かれた構造となっている。(c)上記シリコ
ン窒化膜10の上にホトレジスト膜104を形成し、所望の
形状とする。開口部に1×1016/cmの砒素をイオン打ち
込みし、熱処理により、0.5μmの深さにしてソース領
域4を形成する。(d)しかる後、SiCl4ガスのドライ
エッチングにより、深さ1.1μmのU字形溝11を形成す
る。このときシリコン窒化膜の削れ量は約0.1μmであ
る。(e)そして厚さ50nmのシリコン酸化膜をゲート絶
縁膜5としてCVD法により被着する。(f)ゲート電極
6となる多結晶シリコンを溝幅の2分の1以上の膜厚で
被着して溝を充填した後、SF6ガスのドライエッチング
により全面エッチングして溝内のみに図のごとく多結晶
シリコンを残存させる。なお多結晶シリコンは燐を5×
1020/cm3の濃度にドープして低抵抗にしておく。燐や砒
素を多結晶シリコン被着時に添加しておいてもよい。
(g)熱酸化によってシリコン酸化膜9を図のごとく形
成し、シリコン窒化膜10を除去する。(h)取り出し電
極として、ソース電極7及びドレイン電極8を形成す
る。
本実施例の構造は、ソース領域4がゲート電極6を有
するU字形溝形成によって自己整合的に小さく形成され
ていることである。これにより、ソース領域4の断面形
状における幅すなわち横方向の長さは、深さすなわち縦
方向の長さより短く形成できるので、ソースをエミッタ
としベース領域3とドレイン領域2とで構成される寄生
バイポーラトランジスタ動作が低く抑えられる。また高
濃度ベース領域13が深部迄導入されているので、ドレイ
ン・ベース間のブレークダウンはこの領域の底部発生す
る。その結果ドレイン耐圧は65Vに低下したがL負荷ラ
ッチングは向上した。
本実施例によれば、3.5mm□チップのパワーMOSFETに
おいてドレイン耐圧が60V、オン抵抗が10mΩ、L負荷ラ
ッチング耐量が100μH、50Vに対して35Aでも破壊しな
かった。
次に本発明の他の実施例を第3図を用いて説明する。
第3図(a)はパワーMOSFETの主要部の平面図、第3図
(b)は同図(a)のA−A′断面図である。全面にソ
ース電極に接続されたソース領域4及びベース領域3の
平面形状はそれぞれ円環形状である。ここで一セルのゲ
ート絶縁膜5の直径は3μmである。またソース領域4
の幅はゲート電極6を有するU字形溝部分によって自己
整合されて一様の大きさになっているので、全面ソース
電極7に接続されたベース領域3の大きさにも一定に確
保される。この結果ベース抵抗は小さく抑えられ、寄生
バイポーラトランジスタ動作も発生しにくい。
次に本発明の他の実施例を第4図を用いて説明する。
図はパワーMOSFETの主要部の平面図であり、ソース領域
4の平面形状が円環の一部の形状をしている。ゲート絶
縁膜として厚さ60nmの酸化タンタル膜と厚さ20nmのシリ
コ酸化膜の複合膜を用いた。その結果単位面積当りのゲ
ート幅つまり実装密度が約2倍向上し、またゲート面積
が増加したにもかかわらず、歩留まりの低下はみられな
かった。
次に本発明の他の実施例を第5図を用いて説明する。
図はパワーMOSFETの主要部の断面図であり、ベース領域
3にライフタイムキラー12が導入されている。このライ
フタイムキラー12は1×1015/cm2のプロトンのイオン打
ち込みによって形成された。この結果、寄生バイポーラ
トランジスタ動作の発生がさらに低く抑えられ、またド
レイン・ベース間のダイオードの逆回復時間も約1桁低
減できた。
次に本発明の他の実施例を第6図を用いて説明する。
第6図(a)はパワーMOSFET、ドライバMOSFETからなる
回路図、第6図(b)はその集積回路の断面図である。
p形半導体基板14上にn形高濃度領域15をドレインとす
るパワーMOSFET及びドライバMOSFETが形成され、アイソ
レーション17もU字形溝構造を利用して形成されてい
る。この結果、パワーMOSFETのドライブが容易になると
共に、実装密度は従来の構造の約2倍向上し、かつ破壊
耐量も低下することはなかった。
以上の実施例ではnチャネルパワーMOSFETを例にとっ
て説明したが、pチャネル形でも同様な効果がある。ま
たゲート絶縁膜としてシリコン酸化膜及び酸化タンタル
膜を含む高誘電率複合膜を用いたが他の高誘電率複合
膜、例えば酸化チタン膜、オキシナイトライド膜、酸化
イットリウム膜を含む膜等でもよく、そしてゲート電極
として多結晶シリコンを用いたが、他の材料、例えば、
アルミニウム、タングステン、モリブデン、タングステ
ンシリサイド、モリブデンシリサイド、又はチタンシリ
サイドでも本発明の思想を逸脱しない限りにおいて変更
可能である。
〔発明の効果〕
本発明によれば、L負荷ラッチング耐量の向上した信
頼性に優れた半導体装置の製造方法を提供することがで
きた。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の縦型パワーMOSFETの主要部
の縦断面図、第2図はその製造プロセスを示す主要部の
縦断面図、第3図は本発明の他の実施例の縦型パワーMO
SFETの主要部の平面図及び縦断面図、第4図は本発明の
他の実施例の縦型パワーMOSFETの主要部の平面図、第5
図は本発明の他の実施例の縦型パワーMOSFETの主要部の
縦断面図、第6図は本発明の他の実施例の回路図及びそ
の主要部の縦断面図、第7図は従来の縦型パワーMOSFET
の主要部の縦断面図である。 1……高濃度半導体基板 2……ドレイン領域、3……ベース領域 4……ソース領域、5……ゲート絶縁膜 6……ゲート電極、7……ソース電極 8……ドレイン電極、9……絶縁膜 10……シリコン窒化膜、11……溝 12……ライフタイムキラー 13……高濃度ベース領域 14……p形半導体基板 15……n形高濃度領域 16……ドレイン取り出し領域 17……アイソレーション 18……保護膜 103、104……ホトレジスト膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−155768(JP,A) 実開 昭63−124762(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 29/78

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1導電型の半導体基板主面に、第1導電
    型であって、上記半導体基板の不純物濃度よりも低濃度
    の半導体層が形成された半導体本体を準備する工程、 上記半導体層内に第2導電型の不純物を導入してチャネ
    ル領域となる第1の領域を設ける工程、 上記第1の領域主面上に絶縁膜を形成する工程、 上記絶縁膜に第1開孔部を設け、該第1開孔部を通して
    上記第1の領域に第2導電型の不純物を導入して、底部
    が上記第1の領域の底部より深く、上記半導体層内に位
    置した第2の領域を設ける工程、 上記絶縁膜に第2開孔部を設け、該第2開孔部を通して
    上記第1の領域に第1導電型の不純物を導入して、上記
    第2開孔部から上記第1の領域に伸びる第3の領域を設
    ける工程、 上記第2開孔部内の上記第1の領域をエッチングし、上
    記第2の領域の底部より浅く、上記第1の領域の底部よ
    り深い溝を形成する工程及び 上記溝内にゲート絶縁膜を介してゲート電極を設ける工
    程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】上記ゲート電極を設ける工程は、上記溝の
    幅の2分の1以上の膜厚で多結晶シリコンを上記溝に充
    填し、しかる後上記多結晶シリコンをエッチングして上
    記溝のみに残存させる工程からなり、 上記ゲート電極を設ける工程に続いて、上記ゲート電極
    表面に酸化膜を形成する工程と、該酸化膜上に上記第2
    及び第3の領域に接続するソース電極を形成する工程を
    備えたことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製
    造方法。
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