JP2002026322A - 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Info
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Abstract
溝型の半導体装置及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 溝3が形成されたN-型エピタキシャル
層2に、P型ベース層4とN+型ソース層5とP+型ベー
スコンタクト層11とが形成され、溝3上にゲート酸化
膜7とゲート電極8と層間絶縁膜10とが形成され、層
間絶縁膜10上にソース電極12が形成され、ソース電
極12がコンタクト穴13を介してP+型ベースコンタ
クト層11とN+型ソース層5とにオーミック接触され
ている。そして、この層間絶縁膜10において、L3≧
L2≧L1となり、かつ、L4≧L5となっている。
Description
FETや絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGB
T)等の電力用半導体素子として用いられる半導体装置
及びその製造方法に関する。
低減するものとして、素子表面に溝を形成し、その溝の
側面にチャネルを形成した構造の溝型パワーMOSFE
Tがある。図8に、この溝型パワーMOSFETの概略
断面図を示す。ウェハは、N+型シリコンからなる半導
体基板1上に半導体層としてのN-型エピタキシャル層
2が形成されて構成されている。
cave構造の溝3が形成されている。この溝3は断面
がバスタブ形状になっている。また、ウェハの主表面に
は、個々のセルに対応したP型ベース層(ベース領域)
4と、N+型ソース層(ソース領域)5とが形成されて
いる。このP型ベース層4と、N+型ソース層5とによ
り、溝3の側壁部にチャネル6が設定されている。ま
た、溝3の内壁にゲート絶縁膜としてのゲート酸化膜7
が形成されている。このゲート酸化膜7上には、ポリシ
リコンからなるゲート電極8が形成され、このゲート電
極8の上と端部とには酸化膜9が形成されている。
0が、ほぼ一様の厚みで形成されている。P型ベース層
4の中央の表層部にはP+型ベースコンタクト層11が
形成され、層間絶縁膜10の上に複数のセルに渡って形
成されたソース電極12と、N+型ソース層5およびP+
型ベースコンタクト層11がコンタクト穴13を介して
オーミック接触している。また、半導体基板の裏面にオ
ーミック接触するようにドレイン電極14が形成されて
いる。また、ソース電極12には、図示しない領域にお
いてソースボンディングパッドが形成されている。
ヤボンドすると、ワイヤボンディングする際に、ソース
電極12と層間絶縁膜10との界面における凸部Aに応
力集中をひきおこし、この凸部Aを起点としてクラック
が発生することがある。このクラックはゲート電極8に
達し、ゲート・ソース間のリークの原因となったり、ゲ
ート電極8内をクラックが伝播してN-型エピタキシャ
ル層2まで達し、ドレイン・ソース間のリークの原因と
なったりする。
縁膜10を厚くすることにより層間絶縁膜10の表面を
平坦化するようにしている技術もある。
縁膜10を厚くすると、図9に示すようにソース電極1
2のコンタクト穴13において、N-型エピタキシャル
層2の表面と層間絶縁膜10の表面との段差Lが大きく
なる。その結果、コンタクト穴13においてソース電極
12が落ち込み、ソース電極12に空洞部15が形成さ
れてしまう。そして、この空洞部15が形成されると、
ソース電極12の抵抗値が大きくなったりソース電極1
2が断線したりする不具合を生じる。
における空洞部の形成を抑制した溝型の半導体装置及び
その製造方法を提供することを目的とする。
め、請求項1に記載の発明は、第1導電型の半導体層
(2)を一主面側に有する半導体基板(1)と、半導体
層に形成された溝(3)と、個々のセルに対応して半導
体層の表面に形成し、溝に隣接して、半導体層の表層に
形成した第2導電型のベース領域(4)と、該ベース領
域内の溝の近傍にチャネル(6)を形成するように、ベ
ース領域内において半導体層の表層側に形成した第1導
電型のソース領域(5)と、溝内に形成したゲート絶縁
膜(7)と、該ゲート絶縁膜の上に形成したゲート電極
(8)と、該ゲート電極の上に形成した層間絶縁膜(1
0)と、層間絶縁膜に形成されたコンタクト穴(13)
と、コンタクト穴を介してベース領域とソース領域とに
接触し、個々のセルにおいて層間絶縁膜の上を含み、複
数のセルの上部に渡って形成したソース電極(12)
と、半導体基板のうち半導体層の反対側に形成したドレ
イン電極(14)とを備え、層間絶縁膜のうちコンタク
ト穴が形成された端部は、等方性エッチングした部位と
異方性エッチングした部位とを有し、これらの部位によ
って段差を設けており、層間絶縁膜の端部のうち異方性
エッチングした距離をL1とし、等方性エッチングした
距離をL2とし、層間絶縁膜の端部のうちの異方性エッ
チングした部位とソース電極との界面から、ゲート電極
の端部までの距離をL3とする場合、L3≧L2≧L1
となっていることを特徴としている。
差を二段階に分散し、L2≧L1とすることにより層間
絶縁膜10の端部において傾斜の緩やかな部位を多くし
ている。その結果、ソース電極の急激な落ち込みを防止
して、ソース電極における空洞部の形成を抑制すること
ができる。また、等方性エッチングした距離L2をL3
以下にしているため、ソース電極12とゲート電極8と
の距離を充分に確保して、ゲート・ソース間のショート
を防ぐことができる。
の発明において、ソース領域とソース電極との界面を含
む面をコンタクト部表面とし、溝上におけるコンタクト
部表面と層間絶縁膜の表面との最短距離をL4とし、ゲ
ート電極の端部におけるコンタクト部表面とゲート電極
8の表面との最長距離をL5とする場合、L4≧L5と
なっていることを特徴としている。
界面における層間絶縁膜の凸部の突出量を低減すること
ができ、セル上部に形成されたソース電極上にワイヤボ
ンディングを行う際に、ワイヤボンディングにより発生
する応力が凸部に集中することを防ぎ、クラックの発生
を抑制することができる。また、層間絶縁膜の突出量を
低減することによりソース電極の凹凸を低減することが
できる。
ス電極の表面が平坦となっており、請求項3に記載の発
明のように、ソース電極の表面においてワイヤボンドす
るのに適している。
形成する工程では、層間絶縁膜を等方性エッチングする
と共に層間絶縁膜を異方性エッチングして、コンタクト
穴を形成し、等方性エッチングした部位と異方性エッチ
ングした部位とによって、層間絶縁膜のうちコンタクト
穴が形成された端部に段差を設け、ソース領域とソース
電極との界面を含む面をコンタクト部表面とし、層間絶
縁膜のうちコンタクト部表面から最も距離のある部位を
含み、コンタクト部に略平行な面を層間絶縁膜最上面と
し、コンタクト部表面と層間絶縁膜最上面との距離をL
6とし、層間絶縁膜の端部のうち異方性エッチングした
距離をL1とし、等方性エッチングした距離をL2と
し、層間絶縁膜のうちの異方性エッチングした部位とソ
ース電極との界面から、ゲート電極の端部までの距離を
L3とする場合、層間絶縁膜を所望の厚さにする工程に
おいて、L6≦2・L3とし、コンタクト穴を形成する
工程において、L3≧L2≧L1とすることを特徴とし
ている。これにより、請求項1に記載の半導体装置を好
適に製造することができる。
の発明において、溝上におけるコンタクト部表面と層間
絶縁膜の表面との最短距離をL4とし、ゲート電極の端
部におけるコンタクト部表面とゲート電極8の表面との
最長距離をL5とする場合、層間絶縁膜を形成する工程
において、溝上における段差が2・L3−L5以下とな
るようにし、層間絶縁膜を所望の厚さにする工程におい
て、L4≧L5となるようにすることを特徴としてい
る。これにより、請求項2に記載の半導体装置を好適に
製造することができる。
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すも
のである。
について説明する。図1に本発明の一実施形態に係る溝
型パワーMOSFETの要部の概略断面図を示す。ま
た、図2〜8にこのMOSFETの製造工程を概略断面
図にて示す。
ーMOSFETの構成について説明するが、層間絶縁膜
10以外の構成は従来と同様であるため、図1中、図8
と同一符号を付して適宜説明を省略する。
上において他の領域より厚くなっている。また、層間絶
縁膜10のうちコンタクト穴13が形成された端部(以
下、単に層間絶縁膜10の端部という)は、等方性エッ
チングされた部位と、異方性エッチングされた部位とを
有し、これらの部位によって段差が設けられている。こ
の層間絶縁膜10の構成について以下に詳しく説明す
る。
面を含む面をコンタクト部表面(図中、一点鎖線で示し
ている)とし、層間絶縁膜10のうちコンタクト部表面
から最も距離のある部位を含み、コンタクト部表面に略
平行な面を層間絶縁膜最上面(以下、単に絶縁膜最上面
といい、図中、二点鎖線で示している)とする。
ングされた距離、すなわち、等方性エッチングが行われ
た部位と異方性エッチングが行われた部位との境界であ
る境界部から、コンタクト部表面までの距離をL1とす
る。また、層間絶縁膜10の端部のうち等方性エッチン
グされた距離、すなわち、絶縁膜最上面と境界部との距
離をL2とする。また、等方性エッチングされた部位で
は、絶縁膜最上面の面方向にエッチングされた距離L2
と、絶縁膜最上面の法線方向にエッチングされた距離L
2とが等しくなっている。また、層間絶縁膜10の端部
のうちの異方性エッチングされた部位とソース電極12
との界面からゲート電極8の端部までの距離をL3とす
る。
ッチングと異方性エッチングにより形成して、コンタク
ト部表面と絶縁膜最上面との段差を二段階に分散してい
るため、ソース電極12の急激な落ち込みを防止して、
ソース電極12における空洞部の形成を抑制することが
できる。特に、本実施形態では、L2≧L1としている
ため、層間絶縁膜10の端部において、等方性エッチン
グにより形成された傾斜の緩やかな部位を多くして、好
適にソース電極12における空洞部の形成を抑制してい
る。また、等方性エッチングされた距離L2をL3以下
にすると、ソース電極12とゲート電極8との距離を充
分に確保して、ゲート・ソース間のショートを防ぐこと
ができる。従って、本実施形態では、L3≧L2として
いる。その結果、L3≧L2≧L1となっている。
層間絶縁膜10の表面との最短距離をL4とし、ゲート
電極8の端部におけるコンタクト部表面とゲート電極8
の表面との最長距離をL5とする。この際、本実施形態
では、L4≧L5としている。これにより、層間絶縁膜
10とソース電極12との界面における層間絶縁膜10
の凸部の突出量を低減することができる。その結果、セ
ル上部に形成されたソース電極12上にボンディングワ
イヤ16を用いてワイヤボンディングを行う際に、ワイ
ヤボンディングにより発生する応力が凸部に集中するこ
とを防ぎ、クラックの発生を抑制することができる。特
に、ワイヤボンディングにより発生する応力のうち、半
導体基板1の面方向の応力をゲート電極8まで達しない
ようにし、ゲート電極8にクラックが発生することを抑
制し、適正にワイヤボンディングを行うことができる。
の距離をL6とすると、L6=L1+L2であるため、
上述のように、L3≧L2≧L1にしていることを考慮
すると、L6≦2・L3となっている。
た構成の溝型パワーMOSFETの製造方法について説
明する。
リコンからなる半導体基板1の主表面に、N-型のエピ
タキシャル層2を成長させたウェハを用意する。そして
フィールド酸化膜20を形成した後、レジスト膜21を
堆積して公知のフォトリソ工程によって、ベース層4を
形成する予定の中央部が開口するパターンにレジスト膜
21をパターニングする。そして、このレジスト膜21
をマスクとしてボロン(B+)をイオン注入する。
を剥離した後、熱拡散により接合深さが3μm程度のP
型拡散層22を形成する。次に、ウェハの主表面に窒化
シリコン膜23をCVD法により約200nm堆積し、
窒化シリコン膜23をパターニングして、ピッチ幅(ユ
ニットセルの寸法)で開口する開口パターンを形成す
る。なお、この開口パターンは隣り合うP型拡散層22
の中央部に位置するようにマスク合わせしている。
23をマスクとしてフィールド酸化膜20をエッチング
し、引き続きN-型エピタキシャル層2を深さ1.5μ
m程度エッチングして溝24を形成する。
23をマスクとして溝24の部分を熱酸化する。これは
LOCOS酸化法として良く知られた酸化方法であり、
この酸化により選択酸化膜25が形成され、同時に選択
酸化膜25によって食われたN-型エピタキシャル層2
の表面に溝3が形成される。
リン酸液に浸してウェットエッチングを行って、窒化シ
リコン膜23を除去する。さらに、選択酸化膜25をマ
スクとして、薄いフィールド酸化膜20を透過させてP
型ベース層4を形成するためのボロンをイオン注入す
る。このとき、選択酸化膜25とフィールド酸化膜20
の境界部分が自己整合位置になり、イオン注入される領
域が正確に規定される。
ンを接合深さ3μm程度まで熱拡散する。この熱拡散に
より、図2(b)に示す工程において前もって形成した
P型拡散層22と、図3(b)に示す工程において注入
されたボロンの拡散層が一体になり、1つのP型ベース
層4を形成する。また、P型ベース層4の領域の両端面
は溝3の側壁の位置で自己整合的に規定される。
により囲まれたP型ベース層4の表面中央部に残すよう
にパターニングされたレジスト膜26と、選択酸化膜2
5とを共にマスクとして、薄いフィールド酸化膜20を
透過させてN+型ソース層を形成するためのリンをイオ
ン注入する。この場合も図3(b)に示す工程において
ボロンをイオン注入した場合と同様に、選択酸化膜25
とフィールド酸化膜20の境界部分が自己整合位置にな
り、イオン注入される領域が正確に規定される。
ンを接合深さ0.5〜1μm熱拡散し、N+型ソース層
5を形成する。これにより、チャネル6が設定される。
この熱拡散において、N+型ソース層5の領域の溝3に
接した端面は、溝3の側壁の位置で自己整合的に規定さ
れる。
膜25をウェットエッチングにより除去して溝3の内壁
27を露出させる。その後、熱酸化により厚さ60nm
程度のゲート酸化膜7を形成する。
にCVD法を用い厚さ400nm程度のポリシリコン膜
を堆積する。さらに、ウェハの主表面のポリシリコン膜
をパターニングしてゲート電極8を形成する。そして、
ゲート電極8の表面を熱酸化して酸化膜9を形成する。
れたレジスト膜29をマスクとして酸化膜28を透過し
てP+型ベースコンタクト層を形成するためのボロンを
イオン注入する。
ンを接合深さ0.5μm程度熱拡散し、P+型ベースコ
ンタクト層11を形成する。その後、ウェハの主表面に
BPSGからなる層間絶縁膜10をCVD法により形成
する。この際、デポジット時間を制御して、L4≧L5
となるようにする。
の上にSOG膜30を塗布する。この塗布は、例えば回
転塗布により行い、SOGの粘度とウェハの回転数を制
御して、溝3の上において形成されたSOG膜30の段
差L7が、L7≦2・L3−L5を満たすようにする。
これは以下のようにして導き出せる。この段差L7は、
MOSFETが完成した場合に、層間絶縁膜10の段差
として残るものであるため、上記図1を参照すると、L
4+L7=L6となる。また、上述のように、L6≦2
・L3であるため、L4+L7≦2・L3となる。これ
を変形すると、L7≦2・L3−L4となり、上記L4
≧L5から、L7≦2・L3−L5となる。従って、上
記構成のMOSFETを製造するためには、L7≦2・
L3−L5を満足することが必要である。
エッチングレートと層間絶縁膜10のエッチングレート
を1対1にして、SOG膜30の上面からエッチングを
行う。この際、SOG膜30の表面形状が維持されてS
OG膜30がエッチングされ、その表面形状を維持した
まま層間絶縁膜10がエッチングされる。この際、SO
G膜30をすべてエッチングし、SOG膜30を残さな
いようにする。これは、SOG膜30を残すとソース電
極(Al電極)12とSOG膜30との間に水が発生
し、装置の信頼性上問題となるためである。また、後述
のように層間絶縁膜10をエッチングして形成される層
間絶縁膜10の端部と、ゲート電極8の端部との距離L
3を考慮して、L6≦2・L3となり、かつL4≧L5
となるまでエッチングする。このエッチングは、エッチ
ング時間を制御して行うことができる。
とゲート酸化膜7にコンタクト穴13を形成し、P+型
ベースコンタクト層11とN+型ソース層5とを露出さ
せる。この際、まず、層間絶縁膜10上にレジスト膜を
形成し等方性エッチングを行う。具体的には、CF4 ガ
スを用いたドライエッチング(例えば、ケミカルドライ
エッチング)を行う。次に、同一のレジストを用いて異
方性エッチングを行う。具体的には、CF4、CHF3
ガスを用いたドライエッチング(例えば、反応性イオン
エッチング)を行う。これらのエッチングでは、エッチ
ング時間を制御することにより、上述のように、L2≧
L1となるようにする。
成の溝型パワーMOSFETが完成する。ウェハの主表
面上にソース電極12を形成する。例えば、Alをスパ
ッタすることにより形成することができる。これによ
り、ソース電極12がコンタクト穴13を介してP+型
ベースコンタクト層11とN+型ソース層5とにオーミ
ック接触される。
2の保護用として、プラズマCVD法等により窒化シリ
コン等よりなるパッシベーション膜(保護膜)を形成
し、ワイヤボンディング用の開口部を形成する。また、
ウェハの裏面にドレイン電極14を形成し、N+型半導
体基板1にオーミック接触させる。その後、パッシベー
ション膜の開口部において、ソース電極12上にワイヤ
を圧着してワイヤボンディングを行い、その後、樹脂封
止を行う。
電極における空洞部の形成を抑制し、さらに、セル上部
に形成されたソース電極にワイヤボンディングを適正に
行うことができる溝型のパワーMOSFETを製造する
ことができる。
要部の概略断面図である。
断面図である。
面図である。
の概略断面図である。
溝、4…P型ベース層、5…N+型ソース層、6…チャ
ネル、7…ゲート酸化膜、8…ゲート電極、10…層間
絶縁膜、12…ソース電極、13…コンタクト穴、14
…ドレイン電極。
Claims (5)
- 【請求項1】 第1導電型の半導体層(2)を一主面側
に有する半導体基板(1)と、 前記半導体層に形成された溝(3)と、 個々のセルに対応して前記半導体層の表面に形成され、
前記溝に隣接して、前記半導体層の表層に形成された第
2導電型のベース領域(4)と、 該ベース領域内の前記溝の近傍にチャネル(6)を形成
するように、前記ベース領域内において前記半導体層の
表層側に形成された第1導電型のソース領域(5)と、 前記溝内に形成されたゲート絶縁膜(7)と、 該ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極(8)と、 該ゲート電極の上に形成された層間絶縁膜(10)と、 前記層間絶縁膜に形成されたコンタクト穴(13)と、 前記コンタクト穴を介して前記ベース領域と前記ソース
領域とに接触し、個々のセルにおいて前記層間絶縁膜の
上を含み、複数のセルの上部に渡って形成されたソース
電極(12)と、 前記半導体基板のうち前記半導体層の反対側に形成され
たドレイン電極(14)とを備え、 前記層間絶縁膜のうち、前記コンタクト穴が形成された
端部は、等方性エッチングされた部位と異方性エッチン
グされた部位とを有し、これらの部位によって段差が設
けられており、 前記層間絶縁膜の端部のうち異方性エッチングされた距
離をL1とし、等方性エッチングされた距離をL2と
し、前記層間絶縁膜の端部のうちの前記異方性エッチン
グされた部位と前記ソース電極との界面から、前記ゲー
ト電極の端部までの距離をL3とする場合、L3≧L2
≧L1となっていることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項2】 前記ソース領域と前記ソース電極との界
面を含む面をコンタクト部表面とし、前記溝上における
前記コンタクト部表面と前記層間絶縁膜の表面との最短
距離をL4とし、前記ゲート電極の端部における前記コ
ンタクト部表面と前記ゲート電極8の表面との最長距離
をL5とする場合、L4≧L5となっていることを特徴
とする請求項1に記載の半導体装置。 - 【請求項3】 前記ソース電極の表面においてワイヤボ
ンドされていることを特徴とする請求項1又は2に記載
の半導体装置。 - 【請求項4】 第1導電型の半導体層(2)を一主面側
に有する半導体基板(1)を用意し、セル形成領域に対
応し前記半導体層の表面の所定領域を選択酸化して選択
酸化膜(25)を形成する工程と、 前記選択酸化膜の側面に接する前記半導体層表面にチャ
ネル(6)を形成すべく、前記選択酸化膜をマスクにし
て第2導電型のベース領域(4)と第1導電型のソース
領域(5)とを形成する工程と、 前記選択酸化膜を除去して前記半導体層の表面に溝
(3)を形成する工程と、 前記チャネルとなる部分を含む前記溝の内壁にゲート絶
縁膜(7)とし、該ゲート絶縁膜上にゲート電極(8)
を形成する工程と、 前記ゲート電極上に層間絶縁膜(10)を形成する工程
と、 前記層間絶縁膜を所望の厚さにする工程と、 続いて、前記層間絶縁膜をエッチングして、コンタクト
穴(13)を形成する工程と、 個々のセルにおいて前記層間絶縁膜の上を含み前記ベー
ス領域と前記ソース領域とに接触するように、複数のセ
ルの上部に渡ってソース電極(12)を形成する工程
と、 前記半導体基板のうち前記半導体層の反対側にドレイン
電極(14)を形成する工程とを有し、 前記コンタクト穴を形成する工程では、前記層間絶縁膜
を等方性エッチングすると共に前記層間絶縁膜を異方性
エッチングして、前記コンタクト穴を形成し、前記等方
性エッチングした部位と前記異方性エッチングした部位
とによって、前記層間絶縁膜のうち前記コンタクト穴が
形成された端部に段差を設け、 前記ソース領域と前記ソース電極との界面を含む面をコ
ンタクト部表面とし、前記層間絶縁膜のうち前記コンタ
クト部表面から最も距離のある部位を含み、前記コンタ
クト部に略平行な面を層間絶縁膜最上面とし、前記コン
タクト部表面と前記層間絶縁膜最上面との距離をL6と
し、前記層間絶縁膜の端部のうち異方性エッチングされ
た距離をL1とし、等方性エッチングされた距離をL2
とし、前記層間絶縁膜のうちの前記異方性エッチングさ
れた部位と前記ソース電極との界面から、前記ゲート電
極の端部までの距離をL3とする場合、 前記層間絶縁膜を所望の厚さにする工程において、L6
≦2・L3とし、前記コンタクト穴を形成する工程にお
いて、L3≧L2≧L1とすることを特徴とする半導体
装置の製造方法。 - 【請求項5】 前記溝上における前記コンタクト部表面
と前記層間絶縁膜の表面との最短距離をL4とし、前記
ゲート電極の端部における前記コンタクト部表面と前記
ゲート電極8の表面との最長距離をL5とする場合、 前記層間絶縁膜を形成する工程において、前記溝上にお
ける段差が2・L3−L5以下となるようにし、 前記層間絶縁膜を所望の厚さにする工程において、L4
≧L5となるようにすることを特徴とする請求項4に記
載の半導体装置の製造方法。
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Cited By (8)
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