JP2014056890A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】信頼性の高い微細化された半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】実施形態に係る半導体装置は、シリコン基板と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極と、絶縁部材と、ソース電極と、ドレイン電極と、を備える。前記シリコン基板の上面には、複数本のゲートトレンチが形成されている。前記シリコン基板におけるゲートトレンチ間の部分の上面には、湾曲部が形成されている。前記シリコン基板は、前記ドレイン電極に接続された第1導電形のドレイン層と、前記ゲートトレンチ間に設けられた第2導電形のベース層と、前記ベース層上であって、前記部分の幅方向両端部に設けられ、前記部分の上面に露出した第1導電形のソース層と、を有する。
【選択図】図1
【解決手段】実施形態に係る半導体装置は、シリコン基板と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極と、絶縁部材と、ソース電極と、ドレイン電極と、を備える。前記シリコン基板の上面には、複数本のゲートトレンチが形成されている。前記シリコン基板におけるゲートトレンチ間の部分の上面には、湾曲部が形成されている。前記シリコン基板は、前記ドレイン電極に接続された第1導電形のドレイン層と、前記ゲートトレンチ間に設けられた第2導電形のベース層と、前記ベース層上であって、前記部分の幅方向両端部に設けられ、前記部分の上面に露出した第1導電形のソース層と、を有する。
【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、半導体装置及びその製造方法に関する。
従来より、電力用半導体装置として、トレンチゲート構造の縦型MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor:金属酸化物半導体電界効果トランジスタ)が開発されている。トレンチゲート構造の縦型MOSFETにおいては、シリコン基板の上面側から一方向に延びるゲートトレンチが形成されており、その内部にゲート電極が埋め込まれており、シリコン基板の上面上にはソース電極が設けられ、下面上にはドレイン電極が設けられている。そして、シリコン基板の上面におけるゲートトレンチ間の領域には、ソース電極をシリコン基板に接続するためのソースコンタクト構造が形成されている。従来、ゲート電極を埋設するためのゲートトレンチと、ソース電極を接続するためのソースコンタクト構造とは、別々のリソグラフィによって形成されていた。
近年、電力用半導体装置のオン抵抗を低減するために、ゲートトレンチの配列周期を短くして、MOS構造を微細化することが試みられている。しかしながら、ゲートトレンチの配列周期を短くすると、ゲートトレンチとソースコンタクト構造との合わせずれが相対的に大きくなり、ソースコンタクト構造の形成が困難になる。そこで、ゲートトレンチとソースコンタクト構造とを自己整合的に形成する技術が提案されている。
実施形態では、信頼性の高い微細化された半導体装置及びその製造方法を提供することである。
実施形態に係る半導体装置は、シリコン基板と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極と、絶縁部材と、ソース電極と、ドレイン電極と、を備える。前記シリコン基板には、複数のゲートトレンチが形成されている。前記シリコン基板におけるゲートトレンチ間の部分には、湾曲部が形成されている。前記ゲート絶縁膜は、前記ゲートトレンチの内面に設けられている。前記ゲート電極は、前記ゲートトレンチ内の下部に形成されている。前記絶縁部材の下部は、前記ゲートトレンチ内の上部に設けられ、上部は、前記シリコン基板の上面から突出している。前記ソース電極は、前記シリコン基板における前記部分の上面に接続され、前記絶縁部材及び前記ゲート絶縁膜によって前記ゲート電極から絶縁されている。前記ドレイン電極は、前記シリコン基板の下面に接続されている。前記シリコン基板は、前記ドレイン電極に接続された第1導電形のドレイン層と、前記ゲートトレンチ間に設けられた第2導電形のベース層と、前記部分の幅方向両端部に設けられ、前記部分の上面に露出した第1導電形のソース層と、を有する。
実施形態に係る半導体装置の製造方法は、第1導電形のシリコン基板の上面に複数のゲートトレンチを形成する工程と、前記ゲートトレンチの内面上にシリコン酸化物からなるゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲートトレンチ内の下部にゲート電極を形成する工程と、前記ゲートトレンチ内の上部に絶縁部材を形成する工程と、ケミカルドライエッチングを行うことにより、前記シリコン基板における前記ゲートトレンチ間の部分の上面を下に凸に湾曲させると共に、前記部分の上面における幅方向両端部の位置が前記ゲート電極の上面よりも上方に位置するように前記部分の上面を後退させる工程と、前記部分に第2導電形のベース層を形成する工程と、前記部分の上部における幅方向両端部に、第1導電形のソース層を形成する工程と、前記部分の上面から自然酸化膜を除去する工程と、前記シリコン基板の上面上に、前記部分の上面に接続されたソース電極を形成する工程と、前記シリコン基板の下面上に、前記シリコン基板の下面に接続されたドレイン電極を形成する工程と、を備える。前記ケミカルエッチングは、エッチングガスとして四フッ化炭素ガス及び酸素ガスの混合ガスを使用し、四フッ化炭素ガスの流量に対する酸素ガスの流量の比を1.6以上とし、温度を40℃以下とする条件で行う。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
先ず、第1の実施形態について説明する。
図1は、本実施形態に係る半導体装置を例示する断面図である。
本実施形態に係る半導体装置には、トレンチゲート構造の縦型MOSFETが形成されている。
先ず、第1の実施形態について説明する。
図1は、本実施形態に係る半導体装置を例示する断面図である。
本実施形態に係る半導体装置には、トレンチゲート構造の縦型MOSFETが形成されている。
図1に示すように、本実施形態に係る半導体装置1においては、シリコン基板10が設けられている。シリコン基板10の最下層部分は、導電形がn+形のドレイン層21となっており、その上には、導電形がn形のドリフト層22が設けられている。ドリフト層22上には導電形がp形のベース層16が設けられており、ベース層16上には、導電形がn+形のソース層19及びp+形のキャリア抜き層20が設けられている。ソース層19及びキャリア抜き層20は、シリコン基板10の上面10aに露出していると共に、ベース層16によってドリフト層22から離隔されている。ドレイン層21、ドリフト層22、ベース層16、ソース層19及びキャリア抜き層20により、シリコン基板10が構成されている。
なお、「n+形」とは、「n形」よりもドナーとなる不純物の実効的な不純物濃度が高いことを表している。また「p+形」とは、「p形」よりもアクセプタとなる不純物の実効的な不純物濃度が高いことを表している。本明細書において「実効的な不純物濃度」とは、半導体材料の導電に寄与する不純物の濃度をいい、例えば、半導体材料にドナーとなる不純物とアクセプタとなる不純物の双方が含有されている場合には、ドナーとアクセプタの相殺分を除いた分の濃度をいう。
シリコン基板10の上面10aには、複数本のゲートトレンチ11が形成されている。ゲートトレンチ11は一方向に延び、周期的に配列されている。ゲートトレンチ11はベース層16を貫通し、ドリフト層22の上層部分に進入している。ゲートトレンチ11の内面上には、シリコン酸化物からなるゲート絶縁膜12が形成されている。また、ゲートトレンチ11内の下部には、導電性材料、例えば、不純物が導入されたポリシリコンからなるゲート電極13が埋め込まれている。
ゲート電極13の直上には、絶縁性材料、例えば、シリコン酸化物からなる絶縁部材14が設けられている。絶縁部材14の下部はゲートトレンチ11の上部内に配置されており、絶縁部材14の上部はシリコン基板10の上面10aから突出している。
シリコン基板10におけるゲートトレンチ11間の部分(以下、「メサ部」という)15の形状は、ゲートトレンチ11と同じ方向に延びるストライプ状である。すなわち、メサ部15の長手方向はゲート電極13が延びる方向であり、メサ部15の幅方向はゲート電極13の配列方向である。メサ部15の長手方向から見て、メサ部15の上面15aは、下に凸となるように湾曲した形状(以下、「ラウンド形状」ともいう)となっている。このため、メサ部15の上面15aのうち、メサ部15の幅方向両端部に位置する領域は、幅方向中央部に位置する領域よりも上方に位置している。具体的には、メサ部15の上面15aのうち、メサ部15の幅方向両端部に位置する領域はゲート電極13の上面よりも上方に位置し、メサ部15の幅方向中央部に位置する領域はゲート電極13の上面と同程度の高さに位置している。
また、ソース層19はメサ部15の上層部における幅方向両端部に配置されており、キャリア抜き層20はメサ部15の上層部における幅方向中央部に配置されている。従って、メサ部15の長手方向から見て、キャリア抜き層20は一対のソース層19の間に配置されている。ベース層16、ソース層19及びキャリア抜き層20の形状は、いずれも、メサ部15の長手方向に延びる帯状である。また、ソース層19の上面及びキャリア抜き層20の上面は、メサ部15の上面15aを構成している。
絶縁部材14の側面上には、エピタキシャルシリコン又はポリシリコンからなる側壁17が設けられている。側壁17はシリコンに対してドナーとなる不純物、すなわち、シリコンをn形とする不純物を含有しており、その実効的な不純物濃度は、ソース層19の実効的な不純物濃度よりも高い。側壁17はゲート絶縁膜12の上端部及びソース層19の直上域に配置されており、ソース層19に接している。また、メサ部15の直上域における側壁17間の空間は、ソーストレンチ18となっている。
シリコン基板10、側壁17及び絶縁部材14の上方には、シリコン基板10、側壁17及び絶縁部材14を覆うように、バリアメタル層25が設けられている。バリアメタル層25はシリコン基板10、側壁17及び絶縁部材14に接している。バリアメタル層25は、例えば、チタン(Ti)、チタン窒化物(TiN)又はタングステン窒化物(WN)等の導電性材料によって形成されている。
バリアメタル層25上には、例えばタングステン(W)等の金属材料からなるソース電極26が設けられている。ソース電極26はバリアメタル層25に接している。ソース電極26の一部はソーストレンチ18内に進入しており、ソースコンタクト26aとなっている。ソースコンタクト26aは、バリアメタル層25及び側壁17を介してソース層19に接続されると共に、バリアメタル層25を介してキャリア抜き層20に接続されている。一方、ソース電極26は、絶縁部材14及びゲート絶縁膜12により、ゲート電極13から絶縁されている。
シリコン基板10の下面10b上には、例えばタングステン(W)等の金属材料からなるドレイン電極27が設けられている。ドレイン電極27はドレイン層21に接続されている。
次に、本実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
図2(a)〜(c)、図3(a)〜(c)、図4(a)〜(c)は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を例示する工程断面図である。
なお、図2(a)〜図4(c)においては、半導体装置1の中間構造体の上部のみを示している。
図2(a)〜(c)、図3(a)〜(c)、図4(a)〜(c)は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を例示する工程断面図である。
なお、図2(a)〜図4(c)においては、半導体装置1の中間構造体の上部のみを示している。
先ず、図2(a)に示すように、シリコン基板10を用意する。この時点では、シリコン基板10の導電形はn形である。次に、シリコン基板10の下層部分に、導電形がn+形のドレイン層21(図1参照)を形成する。これにより、シリコン基板10におけるドレイン層21以外の部分は、n形のドリフト層22(図1参照)となる。
次に、例えばリソグラフィ法により、シリコン基板10の上面10aに複数本のゲートトレンチ11を形成する。ゲートトレンチ11は一方向に延び、周期的に配列するように形成する。
次に、例えばリソグラフィ法により、シリコン基板10の上面10aに複数本のゲートトレンチ11を形成する。ゲートトレンチ11は一方向に延び、周期的に配列するように形成する。
次に、図2(b)に示すように,シリコン基板10上に、シリコン酸化物からなるゲート絶縁膜12を形成する。ゲート絶縁膜12は、ゲートトレンチ11の内面上にも形成される。次に、導電性材料、例えば不純物が導入されたポリシリコンを堆積させて、エッチバックすることにより、ゲートトレンチ11内の下部にゲート電極13を形成する。
次に、図2(c)に示すように、絶縁性材料、例えばシリコン酸化物からなる絶縁部材14を全面に成膜する。絶縁部材14はゲートトレンチ11内の上部に埋め込まれてゲート電極13に接すると共に、シリコン基板10の上面10aの全面を覆う。
次に、図3(a)に示すように、絶縁部材14に対してドライエッチングを行い、シリコン基板10を露出させる。これにより、ゲートトレンチ11内に埋め込まれた絶縁部材14の上面と、シリコン基板10におけるゲートトレンチ11間に配置された部分の上面、すなわち、メサ部15の上面15aとが、ほぼ同一面上に位置する。
次に、図3(b)に示すように、全面にケミカルドライエッチング(Chemical Dry Etching:CDE)を施し、シリコン基板10のメサ部15の上面15aを後退させる。このCDEにおいては、エッチングガスとして、四フッ化炭素(CF4)ガス及び酸素(O2)ガスの混合ガスを使用し、CF4ガスの流量(sccm)に対するO2ガスの流量(sccm)の比(以下、「ガス流量比」ともいう)を1.6以上とし、温度を40℃以下とする。これにより、メサ部15の上面15aの形状が、下に凸となるように湾曲した形状(ラウンド形状)になる。上下方向における上面15aの位置は、メサ部15の幅方向両端部においてはゲート電極13の上面よりも上方に位置し、メサ部15の幅方向中央部においてはゲート電極13の上面とほぼ同じ高さに位置するようにする。
次に、図3(c)に示すように、全面に例えばアクセプタとなる不純物をイオン注入することにより、メサ部15にベース層16を形成する。次に、希フッ酸を用いてウェットエッチングを行うことにより、メサ部15の上面15aに形成された自然酸化膜(図示せず)を除去する。このとき、シリコン酸化物からなるゲート絶縁膜12の露出部分は除去されるが、ゲート絶縁膜12におけるゲート電極13を覆う部分は、上面15aがラウンド形状となったメサ部15の両端部によって覆われているため、エッチングされない。従って、このエッチングにより、ゲート電極13が露出することはない。また、絶縁部材14は大部分が残留する。
次に、図4(a)に示すように、ドナーとなる不純物を導入したシリコンを堆積させて、全面にシリコン膜(図示せず)を成膜する。次に、このシリコン膜をエッチバックすることにより、絶縁部材14の側面上に残留させて、側壁17を形成する。側壁17はエピタキシャルシリコン又はポリシリコンからなり、ドナーとなる不純物を含有している。また、側壁17は、メサ部15における幅方向両側部分の直上域に配置され、メサ部15の直上域における側壁17間の空間はソーストレンチ18となる。ソーストレンチ18の底部には、メサ部15の上面15aの一部が露出している。
次に、図4(b)に示すように、熱処理を施すことにより、側壁17に含まれる不純物をメサ部15内に拡散させる。これにより、メサ部15の上層部分における側壁17の直下域に相当する部分及びその周辺に、導電形がn+形のソース層19が形成される。
次に、図4(c)に示すように、絶縁部材14及び側壁17をマスクとして、アクセプタとなる不純物をイオン注入することにより、メサ部15の上層部分におけるソーストレンチ18の直下域に、導電形がp+形のキャリア抜き層20を形成する。キャリア抜き層20は、メサ部15の上層部分における一対のソース層19に挟まれた領域に形成される。
次に、図1に示すように、全面に、バリアメタル層25を形成する。次に、金属材料、例えば、タングステン(W)を堆積させることにより、全面にソース電極26を形成する。ソース電極26の一部は、ソーストレンチ18内に進入してソースコンタクト26aとなる。一方、シリコン基板10の下面10b上に金属材料、例えば、タングステンを堆積させることにより、ドレイン電極27を形成する。ドレイン電極27は、ドレイン層21に接続される。このようにして、本実施形態に係る半導体装置1が製造される。
次に、本実施形態の作用効果について説明する。
本実施形態においては、図2(a)に示す工程において、シリコン基板10にゲートトレンチ11を形成し、図3(a)に示す工程において、ゲートトレンチ11内の上部に絶縁部材14を埋め込み、図4(a)に示す工程において、絶縁部材14の側面上に不純物を含む側壁17を形成し、図4(b)に示す工程において、側壁17から不純物を拡散させることによりソース層19を形成し、図1に示す工程において、側壁17間のソーストレンチ18内にソースコンタクト26aを形成している。これにより、ゲートトレンチ11を形成した後は、自己整合的に、ソース層19及びソースコンタクト26aを形成することができる。このため、ゲートトレンチ11とソース層19及びソースコンタクト26aとの間で合わせずれが発生しない。この結果、本実施形態に係る半導体装置1は、微細化してオン抵抗を低減しても、高い信頼性を維持できる。
本実施形態においては、図2(a)に示す工程において、シリコン基板10にゲートトレンチ11を形成し、図3(a)に示す工程において、ゲートトレンチ11内の上部に絶縁部材14を埋め込み、図4(a)に示す工程において、絶縁部材14の側面上に不純物を含む側壁17を形成し、図4(b)に示す工程において、側壁17から不純物を拡散させることによりソース層19を形成し、図1に示す工程において、側壁17間のソーストレンチ18内にソースコンタクト26aを形成している。これにより、ゲートトレンチ11を形成した後は、自己整合的に、ソース層19及びソースコンタクト26aを形成することができる。このため、ゲートトレンチ11とソース層19及びソースコンタクト26aとの間で合わせずれが発生しない。この結果、本実施形態に係る半導体装置1は、微細化してオン抵抗を低減しても、高い信頼性を維持できる。
また、本実施形態においては、図3(b)に示す工程において、所定の条件でCDEを施すことにより、メサ部15の長手方向から見て、メサ部15の上面15aの形状を、下に凸となるように湾曲した形状(ラウンド形状)とすることができる。これにより、上面15aの幅方向両端部をゲート電極13の上面よりも上方に位置させつつ、幅方向中央部をそれより下方に位置させることができる。
上面15aの幅方向両端部がゲート電極13の上面よりも上方に位置することにより、図3(c)に示す工程において、ゲート絶縁膜12におけるゲート電極13を覆う部分がメサ部15によって覆われる。このため、上面15aの自然酸化膜を除去するためのウェットエッチングを施しても、ゲート電極13が露出することがない。これにより、図4(a)に示す工程において、側壁17がゲート電極13に接することがない。この結果、ゲート電極13とソース電極26との短絡を防止できる。
また、ソース層19を比較的上方に形成できるため、上下方向におけるソース層19とゲート電極13との重なり部分の長さを短くすることができる。これにより、ゲート電極13とソース層19との間に発生する寄生容量を低減することができる。
一方、上面15aの幅方向中央部が両端部よりも下方に位置することにより、図4(c)に示す工程において、キャリア抜き層20を形成する際に、キャリア抜き層20をソース19と同等又はそれより下方に形成することができる。また、ソース電極26のソースコンタクト26aをソース層19の上面よりも下方まで延出させることができる。これにより、半導体装置1内に発生した正孔を、キャリア抜き層20及びソースコンタクト26aを介して、効果的に排出することができる。
更に、上面15aを単なる傾斜面ではなくラウンド形状とすることにより、側壁17とメサ部15との接触面積が増加する。これにより、図4(b)に示す工程において、側壁17からメサ部15内に拡散する不純物量が多くなり、ソース層19を効率的に形成することができる。また、側壁17とソース層19との間の接触抵抗を低減することができる。
更にまた、本実施形態においては、側壁17を不純物を含むシリコンによって形成している。従って、側壁17は導電体である。このため、ソース電極26は、側壁17を経由することによっても、ソース層19に接続することができる。これにより、側壁17を絶縁性材料によって形成する場合と比較して、ソース電極26とソース層19との間の電気抵抗を低減することができる。
更にまた、本実施形態においては、図4(b)に示す工程において、側壁17に含まれる不純物をメサ部15内に拡散させることにより、メサ部15の上部にソース層19を形成している。このため、ソース層19内において、側壁17との界面近傍が最も不純物濃度が高い部分となる。この結果、側壁17とソース層19との接触抵抗が低くなり、ソース電極26とソース層19との間の電気抵抗がより一層低くなる。
次に、本実施形態における数値限定理由について説明する。
<1> CDEの温度:40℃以下
図5(a)〜(e)は、相互に異なる温度でCDEを施したサンプルを示すSEM写真をトレースした断面図である。
このCDEを行う際には、エッチングガスにはCF4ガス及びO2ガスの混合ガスを使用し、CF4ガスの流量を80sccmとし、O2ガスの流量を130sccmとし、従って、CF4ガスの流量に対するO2ガスの流量の比(ガス流量比)を1.625(=130/80)とし、圧力を30Paとし、マイクロ波の出力を700Wとした。
<1> CDEの温度:40℃以下
図5(a)〜(e)は、相互に異なる温度でCDEを施したサンプルを示すSEM写真をトレースした断面図である。
このCDEを行う際には、エッチングガスにはCF4ガス及びO2ガスの混合ガスを使用し、CF4ガスの流量を80sccmとし、O2ガスの流量を130sccmとし、従って、CF4ガスの流量に対するO2ガスの流量の比(ガス流量比)を1.625(=130/80)とし、圧力を30Paとし、マイクロ波の出力を700Wとした。
図5(a)及び(b)に示すように、温度を25℃又は40℃としたときは、メサ部の上面は、下に凸に湾曲したラウンド形状となった。これに対して、図5(c)〜(e)に示すように、温度を60℃、100℃、120℃としたときは、メサ部の上面は平坦なフラット形状となった。このため、CDEによってメサ部の上面をリセスする際には、温度を40℃以下とすれば、ラウンド形状を形成できる。
CDEの温度を低くすることにより、加工面をラウンド形状にできる理由は、以下のように考えられる。
図6(a)〜(c)は、温度が相対的に低温である場合に加工面がラウンド形状となるメカニズムを示す図であり、(d)〜(f)は、温度が相対的に高温である場合に加工面がフラット形状となるメカニズムを示す図である。
図6(a)〜(c)は、温度が相対的に低温である場合に加工面がラウンド形状となるメカニズムを示す図であり、(d)〜(f)は、温度が相対的に高温である場合に加工面がフラット形状となるメカニズムを示す図である。
図6(a)に示すように、温度が相対的に低温である場合は、絶縁部材14の側面とメサ部15の上面15aとによって形成されるコーナー部の平衡蒸気圧が低い。このため、エッチングによってメサ部15から一旦除去されたシリコンが、堆積物31としてコーナー部に再堆積しやすい。
これにより、図6(b)に示すように、メサ部15の上面15aのうち、堆積物31が相対的に薄い幅方向中央部から優先的にエッチングされる。
この結果、図6(c)に示すように、上面15aにおける幅方向両端部よりも幅方向中央部の方がエッチングが進み、上面15aの形状は、下に凸に湾曲したラウンド形状となる。
これにより、図6(b)に示すように、メサ部15の上面15aのうち、堆積物31が相対的に薄い幅方向中央部から優先的にエッチングされる。
この結果、図6(c)に示すように、上面15aにおける幅方向両端部よりも幅方向中央部の方がエッチングが進み、上面15aの形状は、下に凸に湾曲したラウンド形状となる。
これに対して、図6(d)に示すように、温度が相対的に高温である場合は、コーナー部の平衡蒸気圧が高いため、一旦除去されたシリコンの再堆積が生じにくく、堆積物31が少ない。
このため、図6(e)に示すように、上面15aにおいて、エッチングが比較的均一に進行する。
この結果、図6(f)に示すように、上面15aの形状が平坦なフラット形状となる。
このため、図6(e)に示すように、上面15aにおいて、エッチングが比較的均一に進行する。
この結果、図6(f)に示すように、上面15aの形状が平坦なフラット形状となる。
<2> CF4ガスの流量に対するO2ガスの流量の比:1.6以上
図7は、相互に異なる温度及びガス流量比でCDEを施したサンプルを示すSEM写真をトレースした断面図である。
なお、図7においては、例えば、CF4ガスの流量が80sccmであり、O2ガスの流量が130sccmの場合、「CF4/O2=80/130」と表記している。
図7は、相互に異なる温度及びガス流量比でCDEを施したサンプルを示すSEM写真をトレースした断面図である。
なお、図7においては、例えば、CF4ガスの流量が80sccmであり、O2ガスの流量が130sccmの場合、「CF4/O2=80/130」と表記している。
図7に示すように、温度を25℃とし、ガス流量比(CF4ガスの流量に対するO2ガスの流量の比)を1.625としたときは、メサ部の上面の形状はラウンド形状になった。これに対して、温度を25℃とし、ガス流量比を0.826及び0.400としたときは、メサ部の上面の形状はフラット形状になった。これは、O2ガスの割合が高いと、雰囲気の酸化傾向が強くなり、加工面に堆積物が生成しやすくなるためと考えられる。また、温度を120℃としたときは、ガス流量比が1.625、0.826、0.400のいずれの場合も、メサ部の上面の形状はフラット形状となった。
このように、メサ部15の上面15aをリセスするCDEにおいて、温度を40℃以下、ガス流量比を1.6以上とすると、上面15aの形状をラウンド形状とすることができた。本発明者等の検討によれば、温度が上面15aの形状に対して及ぼす影響と、ガス流量比が上面15aに対して及ぼす影響とは、相互に独立していた。
次に、第1の比較例について説明する。
図8(a)〜(c)は、本比較例に係る半導体装置の製造方法を例示する工程断面図である。
本比較例は、メサ部15の上面15aの形状をフラット形状とし、その高さをゲート電極13の上面よりも低くする例である。
図8(a)〜(c)は、本比較例に係る半導体装置の製造方法を例示する工程断面図である。
本比較例は、メサ部15の上面15aの形状をフラット形状とし、その高さをゲート電極13の上面よりも低くする例である。
図2(a)〜図3(a)に示す工程を実施した後、図8(a)に示すように、メサ部15に対してCDEを施し、上面15aをゲート電極13の上面よりも下方に位置させる。このとき、CDEの条件は、ガス流量比が1.6未満、又は、温度が40℃よりも高い条件とする。これにより、上面15aはフラット形状となる。
この場合、図8(b)に示すように、希フッ酸によるウェットエッチングを施すと、ゲート絶縁膜12におけるゲート電極13を覆う部分の一部が除去され、ゲート電極13が露出する。
従って、図8(c)に示すように、側壁17を形成すると、側壁17がゲート電極13に接触してしまう。この結果、完成後の半導体装置において、ソース電極26(図1参照)がゲート電極13と短絡してしまう。
従って、図8(c)に示すように、側壁17を形成すると、側壁17がゲート電極13に接触してしまう。この結果、完成後の半導体装置において、ソース電極26(図1参照)がゲート電極13と短絡してしまう。
次に、第2の比較例について説明する。
図9(a)〜(c)は、本比較例に係る半導体装置の製造方法を例示する工程断面図である。
本比較例は、メサ部15の上面15aの形状をフラット形状とし、その高さをゲート電極13の上面よりも高くする例である。
図9(a)〜(c)は、本比較例に係る半導体装置の製造方法を例示する工程断面図である。
本比較例は、メサ部15の上面15aの形状をフラット形状とし、その高さをゲート電極13の上面よりも高くする例である。
図2(a)〜図3(a)に示す工程を実施した後、図9(a)に示すように、メサ部15に対してCDEを施し、上面15aをゲート電極13の上面よりも上方に位置させる。このとき、CDEの条件は、ガス流量比が1.6未満、又は、温度が40℃よりも高い条件とする。これにより、上面15aはフラット形状となる。
次に、図3(c)及び図4(a)に示す工程を実施し、その後、図9(b)に示すように、ソース層19を形成する。このとき、上面15aがゲート電極13の上面よりも上方に位置しているため、ソース層19をゲート電極13とオーバーラップさせるために、ソース層19は厚く形成する。
次に、図9(c)に示すように、キャリア抜き層20形成する。このとき、上面15aの幅方向中央部は、ゲート電極13の上面よりも上方に位置しているため、半導体装置内の正孔を効果的に排出できる位置にキャリア抜き層20を形成するためには、ソーストレンチ13の直下域に、深いトレンチ61を形成し、その下方にキャリア抜き層20を形成する必要がある。このため、製造プロセスの難易度が上昇し、半導体装置の微細化が困難になると共に、半導体装置の製造コストが増加する。
次に、第2の実施形態について説明する。
図10は、本実施形態に係る半導体装置を例示する断面図である。
図10に示すように、本実施形態に係る半導体装置2は、前述の第1の実施形態に係る半導体装置1(図1参照)と比較して、メサ部15の幅方向中央部において、上面15aに更にキャリア抜きトレンチ41が形成されている点が異なっている。バリアメタル層25はキャリア抜きトレンチ41の内面上にも形成されている。ソースコンタクト26aの下部はキャリア抜きトレンチ41内に進入しており、バリアメタル層25におけるキャリア抜きトレンチ41の底面上に形成された部分と接している。キャリア抜き層20は、メサ部15におけるキャリア抜きトレンチ41の底面に接する部分に形成されている。
図10は、本実施形態に係る半導体装置を例示する断面図である。
図10に示すように、本実施形態に係る半導体装置2は、前述の第1の実施形態に係る半導体装置1(図1参照)と比較して、メサ部15の幅方向中央部において、上面15aに更にキャリア抜きトレンチ41が形成されている点が異なっている。バリアメタル層25はキャリア抜きトレンチ41の内面上にも形成されている。ソースコンタクト26aの下部はキャリア抜きトレンチ41内に進入しており、バリアメタル層25におけるキャリア抜きトレンチ41の底面上に形成された部分と接している。キャリア抜き層20は、メサ部15におけるキャリア抜きトレンチ41の底面に接する部分に形成されている。
次に、本実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
図11(a)及び(b)は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を例示する工程断面図である。
なお、図11(a)及び(b)においては、半導体装置2の中間構造体の上部のみを示している。
図11(a)及び(b)は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を例示する工程断面図である。
なお、図11(a)及び(b)においては、半導体装置2の中間構造体の上部のみを示している。
先ず、図2(a)〜図3(c)に示す工程を実施する。
次に、図4(a)に示すように、全面にシリコン膜を成膜し、その後、エッチバックすることにより、側壁17を形成する。
次に、図4(a)に示すように、全面にシリコン膜を成膜し、その後、エッチバックすることにより、側壁17を形成する。
そして、本実施形態においては、図11(a)に示すように、メサ部15の上面15aが露出した後も、シリコン膜に対するエッチングをそのまま継続し、オーバーエッチングする。これにより、上面15aにおける側壁17によって覆われていない領域に、キャリア抜きトレンチ41が形成される。
次に、図11(b)に示すように、熱処理を施すことによってメサ部15における側壁17に接した部分にソース層19を形成する。次に、アクセプタとなる不純物をイオン注入することにより、キャリア抜きトレンチ41の直下域にキャリア抜き層20を形成する。以後の工程は、前述の第1の実施形態と同様である。
本実施形態によれば、前述の第1の実施形態と比較して、キャリア抜き層20をより下方に形成することができる。これにより、半導体装置2内で発生した正孔をよりキャリア抜き層20によってより確実に捕捉し、排出することができる。
なお、この場合においても、キャリア抜きトレンチ41を形成する直前において、メサ部15の上面15aの形状はラウンド形状となっており、上面15aの幅方向中央部が両端部よりも下方に位置しているため、前述の第2の比較例と比較して、キャリア抜きトレンチ41の形成深さを浅くすることができる。
本実施形態における上記以外の構成、製造方法及び作用効果は、前述の第1の実施形態と同様である。
なお、この場合においても、キャリア抜きトレンチ41を形成する直前において、メサ部15の上面15aの形状はラウンド形状となっており、上面15aの幅方向中央部が両端部よりも下方に位置しているため、前述の第2の比較例と比較して、キャリア抜きトレンチ41の形成深さを浅くすることができる。
本実施形態における上記以外の構成、製造方法及び作用効果は、前述の第1の実施形態と同様である。
次に、第3の実施形態について説明する。
図12は、本実施形態に係る半導体装置を例示する断面図である。
図12に示すように、本実施形態に係る半導体装置3は、前述の第1の実施形態に係る半導体装置1(図1参照)と比較して、ソース層19の下面が平坦であり、キャリア抜き層20の下面がソース層19の下面よりも下方に位置している点が異なっている。
図12は、本実施形態に係る半導体装置を例示する断面図である。
図12に示すように、本実施形態に係る半導体装置3は、前述の第1の実施形態に係る半導体装置1(図1参照)と比較して、ソース層19の下面が平坦であり、キャリア抜き層20の下面がソース層19の下面よりも下方に位置している点が異なっている。
次に、本実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
図13(a)〜(c)は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を例示する工程断面図である。
なお、図13(a)〜(c)においては、半導体装置3の中間構造体の上部のみを示している。
図13(a)〜(c)は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を例示する工程断面図である。
なお、図13(a)〜(c)においては、半導体装置3の中間構造体の上部のみを示している。
先ず、図2(a)〜図3(a)に示す工程を実施する。
次に、図13(a)に示すように、全面にアクセプタとなる不純物をイオン注入することにより、メサ部15にp形のベース層16を形成する。次に、全面にドナーとなる不純物をイオン注入することにより、ベース層16の上部の導電形をp形からn+形に反転させて、n+形層42を形成する。
次に、図13(a)に示すように、全面にアクセプタとなる不純物をイオン注入することにより、メサ部15にp形のベース層16を形成する。次に、全面にドナーとなる不純物をイオン注入することにより、ベース層16の上部の導電形をp形からn+形に反転させて、n+形層42を形成する。
次に、図13(b)に示すように、CDEを施し、メサ部15の上面15aを後退させる。このCDEの条件は、前述の第1の実施形態におけるCDE(図3(b)参照)の条件と同様とする。これにより、上面15aの形状は、下に凸に湾曲したラウンド形状となる。そして、本実施形態においては、CDE終了後に上面15aが、メサ部15の幅方向中央部においてはn+形層42の下面よりも下方に位置し、幅方向両端部においてはn+形層42の下面よりも上方に位置するようにする。これにより、メサ部15の幅方向中央部においてはn+形層42が除去される。一方、メサ部15の幅方向両端部においてはn+形層42が残留し、ソース層19となる。
次に、図13(c)に示すように、希フッ酸を用いたウェットエッチングを行うことにより、上面15aに形成された自然酸化膜(図示せず)を除去する。このとき、ゲート絶縁膜12の露出部分も除去されるが、ゲート絶縁膜12におけるゲート電極13を覆う部分はメサ部15によって覆われているため、除去されない。次に、側壁17を形成する。次に、絶縁部材14及び側壁17をマスクとしてアクセプタとなる不純物をイオン注入することにより、メサ部15の幅方向中央部にキャリア抜き層20を形成する。以後の工程は、前述の第1の実施形態と同様である。
本実施形態によれば、キャリア抜きトレンチ41(図11(a)参照)を形成することなく、キャリア抜き層20をソース層19よりも下方に配置することができる。なお、キャリア抜き層20をより下方に配置するために、キャリア抜きトレンチ41を形成してもよい。
また、本実施形態においては、図13(a)に示す工程において、イオン注入法によりn+形層42を形成し、図13(b)に示す工程において、上面15aのラウンド形状を利用してn+形層42を選択的に除去することにより、ソース層19を形成している。これにより、熱拡散によらずに、自己整合的にソース層19を形成することができる。
このため、本実施形態においては、側壁17の材料は不純物を含むシリコンには限定されない。従って、半導体装置3の設計自由度が高い。例えば、側壁17を金属材料によって形成すれば、ソース電極26とソース層19との間の電気抵抗をより一層低減することができる。また、側壁17をシリコン酸化物等の絶縁性材料によって形成すれば、ソース電極26とゲート電極13との間の絶縁性をより高めると共に、寄生容量を低減することができる。また、側壁17を省略してもよい。
本実施形態における上記以外の構成、製造方法及び作用効果は、前述の第1の実施形態と同様である。
本実施形態における上記以外の構成、製造方法及び作用効果は、前述の第1の実施形態と同様である。
次に、第3の実施形態の変形例について説明する。
図14は、本変形例に係る半導体装置を例示する断面図である。
図14に示すように、本変形例に係る半導体装置3aは、前述の第3の実施形態に係る半導体装置3(図12参照)と比較して、側壁17が設けられていない点が異なっている。すなわち、本変形例は、第3の実施形態において、側壁17を省略した例である。
図14は、本変形例に係る半導体装置を例示する断面図である。
図14に示すように、本変形例に係る半導体装置3aは、前述の第3の実施形態に係る半導体装置3(図12参照)と比較して、側壁17が設けられていない点が異なっている。すなわち、本変形例は、第3の実施形態において、側壁17を省略した例である。
本変形例に係る半導体装置3aは、図13(c)に示す工程において、側壁17を形成しないことにより、製造することができる。但し、この場合、キャリア抜き層20を形成するためのアクセプタとなる不純物の注入は、上面15a全体に対して行われるため、ソース19の導電形をn形からp形に反転させないようなドーズ量とする必要がある。
本変形例によれば、前述の第3の実施形態と比較して、ソース電極26をソース層19との間の電気抵抗をより一層低減することができる。また、半導体装置の製造プロセスにおいて工程数を削減し、製造コストを低減することができる。
本変形例における上記以外の構成、製造方法及び作用効果は、前述の第3の実施形態と同様である。
本変形例における上記以外の構成、製造方法及び作用効果は、前述の第3の実施形態と同様である。
以上説明した実施形態によれば、信頼性の高い微細化された半導体装置及びその製造方法を実現することができる。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明及びその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
1、2、3、3a:半導体装置、10:シリコン基板、10a:上面、10b:下面、11:ゲートトレンチ、12:ゲート絶縁膜、13:ゲート電極、14:絶縁部材、15:メサ部、15a:上面、16:ベース層、17:側壁、18:ソーストレンチ、19:ソース層、20:キャリア抜き層、25:バリアメタル層、26:ソース電極、26a:ソースコンタクト、27:ドレイン電極、31:堆積物、41:キャリア抜きトレンチ、42:n+形層、61:トレンチ
Claims (10)
- 複数のゲートトレンチと、前記ゲートトレンチ間の部分に設けられた湾曲部と、第1導電形のドレイン層と、前記ゲートトレンチ間に設けられた第2導電形のベース層と、前記部分の幅方向両端部に設けられ、前記部分の上面に露出した第1導電形のソース層と、を有したシリコン基板と、
前記ゲートトレンチの内面に設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲートトレンチ内の下部に埋設されたゲート電極と、
下部が前記ゲートトレンチ内の上部に設けられ、上部が前記シリコン基板の上面から突出した絶縁部材と、
前記シリコン基板における前記部分の上面に接続され、前記絶縁部材及び前記ゲート絶縁膜によって前記ゲート電極から絶縁されたソース電極と、
前記ドレイン層に接続されたドレイン電極と、
を備えた半導体装置。 - 前記シリコン基板は、前記部分の幅方向中央部に設けられ、前記部分の上面に露出し、第2導電形であり、実効的な不純物濃度が前記ベース層の実効的な不純物濃度よりも高いキャリア抜き層をさらに有した請求項1記載の半導体装置。
- 前記キャリア抜き層の下面は、前記ソース層の下面よりも下方に位置する請求項2記載の半導体装置。
- 前記部分の上面における幅方向中央部にはソーストレンチが形成されており、
前記ソース電極の一部は前記ソーストレンチ内に進入している請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体装置。 - 前記絶縁部材の側面上に設けられ、前記ソース層に接し、シリコンを第1導電形とする不純物を含有したシリコンからなる側壁をさらに備えた請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体装置。
- 第1導電形のシリコン基板に複数のゲートトレンチを形成する工程と、
前記ゲートトレンチの内面上にシリコン酸化物からなるゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲートトレンチ内の下部にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲートトレンチ内の上部に絶縁部材を形成する工程と、
エッチングガスとして四フッ化炭素ガス及び酸素ガスの混合ガスを使用し、四フッ化炭素ガスの流量に対する酸素ガスの流量の比を1.6以上とし、温度を40℃以下とする条件でケミカルドライエッチングを行うことにより、前記シリコン基板における前記ゲートトレンチ間の部分の上面を下に凸に湾曲させると共に、前記部分の上面における幅方向両端部の位置が前記ゲート電極の上面よりも上方に位置するように前記部分の上面を後退させる工程と、
前記部分に第2導電形のベース層を形成する工程と、
前記部分の上部における幅方向両端部に、第1導電形のソース層を形成する工程と、
前記部分の上面から自然酸化膜を除去する工程と、
前記シリコン基板の上面上に、前記部分の上面に接続されたソース電極を形成する工程と、
前記シリコン基板の下面上に、前記シリコン基板の下面に接続されたドレイン電極を形成する工程と、
を備えた半導体装置の製造方法。 - 前記ソース層を形成する工程は、
前記絶縁部材の側面上に、前記部分の上面に接するように、シリコンを第1導電形とする不純物を含有するシリコンからなる側壁を形成する工程と、
前記側壁に含有される前記不純物を前記シリコン基板内に拡散させる工程と、
を有した請求項6記載の半導体装置の製造方法。 - 前記絶縁部材及び前記側壁をマスクとしてシリコンを第2導電形とする不純物を導入することにより、前記部分の幅方向中央部であって前記部分の上面に露出する部分に、第2導電形であって実効的な不純物濃度が前記ベース層の実効的な不純物濃度よりも高いキャリア抜き層を形成する工程をさらに備えた請求項7記載の半導体装置の製造方法。
- 前記絶縁部材及び前記側壁をマスクとしてエッチングすることにより、前記部分の上面における幅方向中央部にソーストレンチを形成する工程をさらに備えた請求項7または8に記載の半導体装置の製造方法。
- 第1導電形のシリコン基板に複数のゲートトレンチを形成する工程と、
前記ゲートトレンチの内面上にシリコン酸化物からなるゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲートトレンチ内の下部にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲートトレンチ内の上部に絶縁部材を形成する工程と、
前記シリコン基板における前記ゲートトレンチ間の部分に第2導電形のベース層を形成する工程と、
前記ベース層上に第1導電形層を形成する工程と、
エッチングガスとして四フッ化炭素ガス及び酸素ガスの混合ガスを使用し、四フッ化炭素ガスの流量に対する酸素ガスの流量の比を1.6以上とし、温度を40℃以下とする条件でケミカルドライエッチングを行うことにより、前記シリコン基板における前記ゲートトレンチ間の部分の上面を下に凸に湾曲させると共に、前記部分の上面における幅方向両端部の位置が前記ゲート電極の上面よりも上方であって前記第1導電形層の下面よりも上方に位置し、前記部分の上面における幅方向中央部の位置が前記第1導電形層の下面よりも下方に位置するように、前記部分の上面を後退させて、前記部分の上部における幅方向両端部に第1導電形のソース層を形成する工程と、
前記部分の上面から自然酸化膜を除去する工程と、
前記シリコン基板の上面上に、前記部分の上面に接続されたソース電極を形成する工程と、
前記シリコン基板の下面上に、前記シリコン基板の下面に接続されたドレイン電極を形成する工程と、
を備えた半導体装置の製造方法。
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