JP2015056640A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】フィールドプレート電極とゲート電極間容量を低減する半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】第1導電型の半導体層にトレンチ18を形成する工程と、トレンチの内面に第1の絶縁膜20を形成する工程と、トレンチ内を埋め込むように、第1の絶縁膜上に第1の導電材22を形成する工程と、第1の導電材全体がトレンチ内に位置するように第1の導電材をエッチングする工程と、トレンチの上部内面で半導体層が露出し、第1の導電材上端部が第1の絶縁膜の上端部より上側になるよう第1の絶縁膜をエッチングする工程と、該エッチング後、第1の絶縁膜上端部が第1の導電材の上端部より上側に位置するよう第1の導電材を再エッチングする工程と、トレンチの上部内面に露出する半導体層と第1の導電材を覆う第2の絶縁膜24を形成する工程と、トレンチを埋込むように、第1の絶縁膜と第2の絶縁膜上に第2の導電材26を形成する工程と、を備える。【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法に関する。
パワートランジスタの小型化および高性能化のために、トレンチ内にゲート電極を埋め込んだ縦型トランジスタが用いられる。そして、トレンチ内にゲート電極を埋め込んだ縦型トランジスタのゲート電極とドレイン間の容量(帰還容量)を低減し、高性能化を図るため、トレンチ内のゲート電極の下方にフィールドプレート電極を設ける構成が採用される。
しかし、トレンチ内にフィールドプレート電極を設ける場合、フィールドプレート電極とゲート電極間の容量が、トランジスタの性能を劣化させるおそれがある。
特開2011−9387号公報
本発明が解決しようとする課題は、フィールドプレート電極とゲート電極間の容量を低減する半導体装置の製造方法を提供することにある。
実施形態の半導体装置の製造方法は、第1導電型の半導体層にトレンチを形成する工程と、トレンチの内面を覆う第1の絶縁膜を形成する工程と、トレンチ内を埋め込むように、第1の絶縁膜上に第1の導電材を形成する工程と、第1の導電材の上端部がトレンチ内に位置するように第1の導電材をエッチングする工程と、トレンチの上部内面において半導体層が露出し、且つ第1の導電材の上端部が第1の絶縁膜の上端部より上側に位置するよう第1の絶縁膜をエッチングする工程と、第1の絶縁膜をエッチングした後、第1の絶縁膜の上端部が第1の導電材の上端部より上側に位置するよう第1の導電材を再エッチングする工程と、トレンチの上部内面に露出する半導体層と第1の導電材を覆う第2の絶縁膜を形成する工程と、トレンチを埋め込むように、第2の絶縁膜上に第2の導電材を形成する工程と、を備える。
第1の実施形態の半導体装置の模式断面図である。 第1の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。 第1の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。 第1の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。 第1の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。 第1の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。 第1の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。 第1の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。 第1の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。 第1の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。 第1の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。 比較形態の半導体装置の模式断面図である。 比較形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。 比較形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。 第2の実施形態の半導体装置の模式断面図である。 第2の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。 第2の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一の部材等には同一の符号を付し、一度説明した部材等については適宜その説明を省略する。
なお、本明細書中、「異方性エッチング」とは、エッチングレートが最大となる方向のエッチングレートが、エッチングレートが最小となる方向のエッチングレートの5倍以上であるエッチングを意味するものとする。また、「等方性エッチング」とは、エッチングレートが最大となる方向のエッチングレートが、エッチングレートが最小となる方向のエッチングレートの2倍以下であるエッチングを意味するものとする。
(第1の実施形態)
本実施形態の半導体装置の製造方法は、第1導電型の半導体層にトレンチを形成する工程と、トレンチの内面を覆う第1の絶縁膜を形成する工程と、トレンチ内を埋め込むように、第1の絶縁膜上に第1の導電材を形成する工程と、第1の導電材の上端部がトレンチ内に位置するように第1の導電材をエッチングする工程と、トレンチの上部内面において半導体層が露出し、且つ第1の導電材の上端部が第1の絶縁膜の上端部より上側に位置するよう第1の絶縁膜をエッチングする工程と、第1の絶縁膜をエッチングした後、第1の絶縁膜の上端部が第1の導電材の上端部より上側に位置するよう第1の導電材を再エッチングする工程と、トレンチの上部内面に露出する半導体層と第1の導電材を覆う第2の絶縁膜を形成する工程と、トレンチを埋め込むように、第2の絶縁膜上に第2の導電材を形成する工程と、を備える。
図1は、本実施形態の半導体装置の製造方法で製造される半導体装置の模式断面図である。本実施形態の半導体装置100は、トレンチ内にゲート電極を備える縦型MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)である。以下、第1導電型がn型、第2導電型がp型である場合、すあわち、nチャネル型のMOSFETの場合を例に説明する。
本実施形態の半導体装置(MOSFET)100は、n型基板10上に、n型半導体層(半導体層)12を備える。n型基板10およびn型半導体層12は、例えば、n型不純物を含有する単結晶シリコンである。
n型半導体層12のn型不純物濃度は、n型基板10のn型不純物濃度よりも低い。n型不純物は、例えばリン(P)またはヒ素(As)である。n型基板10およびn型半導体層12は、MOSFET100のドレイン領域として機能する。
n型半導体層12内に、p型半導体領域(第1の半導体領域)14が設けられる。p型半導体領域14は、p型不純物を含有する単結晶シリコンである。p型不純物は、例えば、ボロン(B)である。p型半導体領域(第1の半導体領域)14は、MOSFET100のベース領域(チャネル領域)として機能する。
n型半導体層12内のp型半導体領域(第1の半導体領域)14内に、n型半導体領域(第2の半導体領域)16が設けられる。n型半導体領域16は、n型不純物を含有する単結晶シリコンである。n型不純物は、例えばリン(P)またはヒ素(As)である。n型半導体領域16は、MOSFET100のソース領域として機能する。
n型半導体層12には、表面に開口部を備え、底部がn型基板10には達しないトレンチ18が設けられる。トレンチ18内には、n型半導体層12との間にフィールドプレート絶縁膜(第1の絶縁膜)20を介して、フィールドプレート電極(第1の導電材)22が設けられる。
フィールドプレート絶縁膜20は、例えば、シリコン酸化膜である。また、フィールドプレート電極22は、例えば、不純物がドーピングされた多結晶シリコンである。
また、トレンチ18内には、p型半導体領域14との間にゲート絶縁膜(第2の絶縁膜)24を介して、ゲート電極(第2の導電材)26が設けられる。
ゲート絶縁膜24は、例えば、シリコン酸化膜である。また、ゲート電極26は、例えば、不純物がドーピングされた多結晶シリコンである。
トレンチ内に埋め込まれたゲート電極26上には、層間絶縁膜30が形成される。層間絶縁膜30は、例えば、シリコン酸化膜である。
また、ゲート電極26とフィールドプレート電極22との間も、ゲート絶縁膜24により、分離される。
n型半導体領域(第2の半導体領域)16およびp型半導体領域(第1の半導体領域)14上には、ソース電極(第1の電極)50が設けられる。ソース電極50は、例えば、金属である。
型基板10のn型半導体層12の反対側の表面には、ドレイン電極(第2の電極)52が設けられる。ドレイン電極52は、例えば、金属である。
フィールドプレート電極22は、例えば、ソース電極50と同電位である。フィールドプレート電極22をソース電極50と同電位にすることにより、ゲート電極26とドレイン領域であるn型半導体層12との寄生容量(帰還容量)が低減する。したがって、MOSFET100の高いスイッチング特性と、低消費電力化が実現される。
また、フィールドプレート電極22は、ゲート電極26と同電位とする構成も可能である。フィールドプレート電極22をゲート電極26と同電位とすることにより、例えば、オン抵抗の低減が実現される。トランジスタのオン動作時に、フィールドプレート電極22に対向するn型半導体層12に電子が蓄積するからである。
次に、本実施形態の半導体装置の製造方法について説明する。図2〜11は、本実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。
まず、n型不純物を含有する単結晶シリコンのn型基板10上に、例えば、エピタキシャル成長法によりn型不純物を含有する単結晶シリコンのn型半導体層(半導体層)12を形成する。
次に、n型半導体層12の表面に、例えば、シリコン酸化膜のマスク材60を形成する。マスク材60は、例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition)による膜堆積、リソグラフィーおよびRIE(Reactive Ion Etching)により形成する。
次に、マスク材60をマスクに、n型半導体層12をエッチングし、n型半導体層12の表面に開口部36を備えるトレンチ18を形成する(図2)。マスク材60は、例えば、シリコン酸化膜である。エッチングは、例えば、RIEにより行う。トレンチ18の深さは、例えば、1.0μm〜2.0μm、開口部36の幅は、例えば、0.3μm〜0.5μmである。
次に、マスク材60を、例えばウェットエッチングにより剥離する。その後、トレンチ18の内面を覆うフィールドプレート絶縁膜(第1の絶縁膜)20を形成する(図3)。フィールドプレート絶縁膜20は、例えば、n型半導体層12を熱酸化することによって形成されるシリコンの熱酸化膜である。
フィールドプレート絶縁膜20は、例えば、熱酸化膜と、例えば、CVD法により形成される堆積膜との積層構造であってもかまわない。例えば、シリコンの熱酸化膜と、シリコンの堆積膜との積層構造である。
次に、トレンチ18内を埋め込むように第1の導電材22を形成する(図4)。第1の導電材22は、例えば、不純物がドーピングされた多結晶シリコンである。第1の導電材22は、最終的に、フィールドプレート電極22となる。第1の導電材22を、金属半導体化合物や金属とすることも可能である。
次に、第1の導電材22の上端部がトレンチ内に位置するように第1の導電材22をエッチングする(図5)。この際、第1の導電材22の開口部36側の端部、すなわち上端部が、トレンチ18内に位置するようエッチングする。いいかえれば、第1の導電材22のトレンチ外の部分をエッチングにより除去する。
第1の導電材22のエッチングは、CDE(Chemical Dry Etching)等の等方性エッチングで行っても、RIE等の異方性エッチングで行ってもかまわない。
次に、トレンチ18の上部内面においてn型半導体層12が露出するよう、第1の導電材22をマスクに、フィールドプレート絶縁膜(第1の絶縁膜)20をエッチングする(図6)。この際、第1の導電材22の上端部が、フィールドプレート絶縁膜(第1の絶縁膜)20の上端部より上側に位置するようエッチングする。
第1の導電材22の上端部が、フィールドプレート絶縁膜(第1の絶縁膜)20の上端部より開口部36側に位置するようエッチングすることで、十分なプロセスマージンを持って、トレンチ18の開口部36側の内面に、n型半導体層12を露出させることができる。フィールドプレート絶縁膜20のエッチングは、例えば、ウェットエッチングにより行う。ウェットエッチングは等方性のエッチングである。
次に、第1の導電材22を再エッチングする(図7)。この際、フィールドプレート絶縁膜(第1の絶縁膜)20の上端部が、第1の導電材22の上端部より上側に位置するようエッチングする。
第1の導電材22の再エッチングは、異方性エッチングにより行う。異方性エッチングは、例えば、RIEである。第1の導電材22のエッチングを異方性エッチングにより行うことで、トレンチ18上部に露出するn型半導体層12の側方へのエッチングが抑制される。
次に、トレンチ18の上部の内面に露出するn型半導体層(半導体層)12と、第1の導電材22を覆うゲート絶縁膜(第2の絶縁膜)24を形成する(図8)。n型半導体層12を覆うゲート絶縁膜24は、例えば、n型半導体層12を熱酸化することによって形成されるシリコンの熱酸化膜である。また、第1の導電材22を覆うゲート絶縁膜24は、例えば、第1の導電材22を熱酸化することによって形成される多結晶シリコンの熱酸化膜である。
ゲート絶縁膜(第2の絶縁膜)24は、例えば、熱酸化膜と、例えば、CVD法により形成される堆積膜との積層構造であってもかまわない。例えば、シリコンの熱酸化膜と、シリコンの堆積膜との積層構造である。
次に、トレンチ18内を埋め込むように第2の導電材26を、ゲート絶縁膜(第2の絶縁膜)24上に形成する(図9)。第2の導電材26は、例えば、不純物がドーピングされた多結晶シリコンである。第2の導電材26は、最終的に、ゲート電極26となる。第2の導電材26を、金属半導体化合物や金属とすることも可能である。
次に、第2の導電材26の上端部がトレンチ内に位置するよう第2の導電材26をエッチングする(図10)。この際、第2の導電材24の開口部36側の端部、すなわち上端部が、トレンチ18内に位置するようエッチングする。いいかえれば、第2の導電材26のトレンチ外の部分をエッチングにより除去する。
次に、第2の導電材26の上部を覆う層間絶縁膜30を形成する。層間絶縁膜30は、例えば、CVD法により堆積されるシリコン酸化膜である。そして、n型半導体層12表面が露出するよう層間絶縁膜30とゲート絶縁膜26をリソグラフィーおよびエッチングを用いてパターニングする(図11)。エッチングは、例えば、RIEにより行う。
次に、p型の不純物、例えばB(ボロン)をイオン注入し、n型半導体層12にp型半導体領域(第1の半導体領域)14を形成する。次に、n型の不純物、例えば、P(リン)またはヒ素(As)をイオン注入し、p型半導体領域(第1の半導体領域)14にn型半導体領域(第2の半導体領域)16を形成する。
その後、公知の製造方法により、第1の電極50、および、第2の電極52を形成することで、図1に示すMOSFET100が製造される。
以下、本実施形態の半導体装置の製造方法の作用および効果について説明する。
図12は、比較形態の半導体装置の製造方法で製造される半導体装置の模式断面図である。比較形態の半導体装置900も、トレンチ内にゲート電極を備える縦型MOSFETである。フィールドプレート電極22の形状、ゲート電極26の形状が異なる以外は、実施形態のMOSFET100と同様である。したがって、MOSFET100と重複する内容については、記述を省略する。
比較形態のMOSFET900は、フィールドプレート電極22の上端が、ゲート電極26側に向かって突出している。いいかえれば,ゲート電極26がフィールドプレート電極22を覆う構造となっている。
このため、ゲート電極26とフィールドプレート電極22の対向する面積が大きくなる。したがって、図12中、白矢印で模式的に示す、ゲート電極26とフィールドプレート電極22間の容量が大きくなる。したがって、MOSFET900のスイッチング特性の劣化や消費電力の増大が問題となる。
また、図12中、点線の円で示すゲート電極26下端の領域で、ゲート絶縁膜24の膜厚が薄い。ゲート絶縁膜24の膜厚が、この領域で薄くなることにより、局所的に高い電界がゲート絶縁膜24に印加される。したがって、ゲート絶縁膜24の絶縁破壊が生じやすくなり、MOSFET900の信頼性が低下するおそれがある。
ゲート電極26とフィールドプレート電極22の対向する面積が大きくなることや、ゲート絶縁膜24の膜厚が、上記領域で薄くなることは、比較形態の半導体装置の製造方法に起因するものである。
図13、図14は、比較形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。比較形態の半導体装置900の製造方法において、図13に示すフィールドプレート絶縁膜(第1の絶縁膜)20をエッチングする工程までは、実施形態と同様である。
比較形態では、図14に示すように、フィールドプレート絶縁膜20をエッチングした後、実施形態のように、第1の導電材22をエッチングすることなく、トレンチ18の上部の内面に露出するn型半導体層12と、第1の導電材22を覆うゲート絶縁膜24を形成する。
図13に示すように、ゲート絶縁膜24の形成直前には、フィールドプレート電極22の上端は、トレンチ18の開口部36側に向かってフィールド絶縁膜20から突出している。このため、結果的にゲート電極26とフィールドプレート電極22の対向する面積が大きくなる。
そして、ゲート絶縁膜24は、例えば、熱酸化により形成される。ゲート絶縁膜24の形成直前には、図13の黒矢印で示す部分で、下地形状が窪んでいる。したがって、熱酸化の際、酸化ガスの供給律速により、図14中、点線の円で示すゲート電極26下端の領域で、ゲート絶縁膜24の膜厚が薄くなってしまう。
なお、ゲート絶縁膜24をCVD等の気相成長法で形成する場合であっても、下地形状が窪んでいることによる原料ガスの供給律速が生ずる。したがって、気相成長法でゲート絶縁膜24を形成する場合であっても、ゲート絶縁膜24の薄膜化の問題は生じ得る。
本実施形態の半導体装置の製造方法によれば、比較形態と異なり、第1の導電材22の上端が、フィールド絶縁膜20の上端よりも低くなるようにエッチングした後、ゲート絶縁膜24を形成する。したがって、ゲート電極26とフィールドプレート電極22の対向する面積は小さくなる。
本実施形態によれば、ゲート電極26とフィールドプレート電極22間の容量を、比較形態と比較して、約30%削減することが可能となる。
さらに、ゲート絶縁膜24の形成直前には、比較形態のような、下地形状の窪みはなくなる。したがって、図8中、点線の円で示す領域で、酸化ガスや原料ガスの供給律速によるゲート絶縁膜24の薄膜化が抑制される。
比較形態では、図12中、点線の円で示すゲート電極26下端の領域で、ゲート絶縁膜24が約30%薄膜化する。しかし、本実施形態によれば、10%以内の薄膜化まで抑制することが可能となる。
よって、本実施形態の半導体装置の製造方法によれば、フィールドプレート電極とゲート電極間の容量が低減され、高いスイッチング特性を備え、かつ、消費電力の低い高性能な半導体装置が実現される。また、ゲート絶縁膜の薄膜化が抑制され、高い信頼性を備える半導体装置が実現される。
(第2の実施形態)
本実施形態の半導体装置の製造方法は、第1の導電材の再エッチングを等方性のエッチングにより行うこと以外は、第1の実施形態と同様である。したがって、第1の実施形態と重複する内容については、記述を省略する。
図15は、本実施形態の半導体装置の製造方法で製造される半導体装置の模式断面図である。本実施形態の半導体装置200も、トレンチ内にゲート電極を備える縦型MOSFETである。ゲート絶縁膜の形状が異なる以外は、実施形態のMOSFET100と同様である。
図15で示すように、本実施形態のMOSFET200は、図15中、点線の円で示すゲート電極26下端の領域のゲート絶縁膜24の膜厚が、第1の実施形態よりもさらに厚くなっている。
図16、図17は、本実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。本実施形態の半導体装置200の製造方法において、第1の実施形態の図6に示すフィールドプレート絶縁膜(第1の絶縁膜)20をエッチングする工程までは、実施形態と同様である。
本実施形態では、第1の導電材22の再エッチングを等方性のエッチングにより行う(図16)。等方性のエッチングは、例えば、CDEである。
第1の導電材22のエッチングを等方性エッチングにより行うことで、トレンチ18上部に露出するn型半導体層12も側方にエッチングされる。このため、フィールドプレート絶縁膜(第1の絶縁膜)20の上端部(図16中点線の円)でも側方にトレンチ18が広がることで、n型半導体層12の露出面積が増加する。
このため、ゲート絶縁膜24を熱酸化により形成する場合、フィールドプレート絶縁膜(第1の絶縁膜)20の上端部(図16中点線の円)で、n型半導体層12への酸化ガスの供給量が増大し、この領域のゲート絶縁膜24の膜厚が厚くなる。
本実施形態では、図15中、点線の円で示すゲート電極26下端の領域で、ゲート絶縁膜24の膜厚が他の領域とほぼ等しい膜厚とすることが可能となる。
よって、本実施形態の半導体装置の製造方法によれば、ゲート絶縁膜の薄膜化がさらに抑制され、さらに高い信頼性を備える半導体装置が実現される。
なお、n型半導体層12を側方にエッチングするために、n型半導体層12と第1の導電材22は、同一材料であることが望ましい。例えば、n型半導体層12および第1の導電材22がともにシリコンであることが望ましい。
以上、実施形態では、第1導電型がn型、第2導電型がp型の場合を例に説明したが、第1導電型がp型、第2導電型がn型の構成とすることも可能である。
また、実施形態では、半導体材料としてシリコンを例に説明したが、炭化珪素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)等、その他の半導体材料を用いることも可能である。
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。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換えまたは変更してもよい。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とその均等の範囲に含まれる。
12 n型半導体層(半導体層)
14 p型半導体領域(第1の半導体領域)
16 n半導体領域(第2の半導体領域)
18 トレンチ
20 フィールドプレート絶縁膜(第1の絶縁膜)
22 フィールドプレート電極(第1の導電材)
24 ゲート絶縁膜(第2の絶縁膜)
26 ゲート電極(第2の導電材)
36 開口部
100 MOSFET
200 MOSFET

Claims (5)

  1. 第1導電型の半導体層にトレンチを形成する工程と、
    前記トレンチの内面を覆う第1の絶縁膜を形成する工程と、
    前記トレンチ内を埋め込むように、前記第1の絶縁膜上に第1の導電材を形成する工程と、
    前記第1の導電材の上端部が前記トレンチ内に位置するように前記第1の導電材をエッチングする工程と、
    前記トレンチの上部内面において前記半導体層が露出し、且つ前記第1の導電材の前記上端部が前記第1の絶縁膜の上端部より上側に位置するよう前記第1の絶縁膜をエッチングする工程と、
    前記第1の絶縁膜をエッチングした後、前記第1の絶縁膜の前記上端部が前記第1の導電材の前記上端部より上側に位置するよう前記第1の導電材を再エッチングする工程と、
    前記トレンチの上部内面に露出する前記半導体層と前記第1の導電材を覆う第2の絶縁膜を形成する工程と、
    前記トレンチ内を埋め込むように、前記第2の絶縁膜上に第2の導電材を形成する工程と、
    を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記第2の絶縁膜は熱酸化により形成される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。
  3. 前記第1の導電材の再エッチングを等方性のエッチングにより行うことを特徴とする請求項1または請求項2記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記第1の導電材の再エッチングを異方性のエッチングにより行うことを特徴とする請求項1または請求項2記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記トレンチ内に前記第2の導電材を形成した後、前記第2の導電材の上端部が前記トレンチ内に位置するように前記第2の導電材をエッチングする工程と、
    第2導電型の不純物のイオン注入により前記半導体層に第2導電型の第1の半導体領域を形成する工程と、
    第1導電型の不純物のイオン注入により前記第1の半導体領域に第1導電型の第2の半導体領域を形成する工程と、をさらに有することを特徴とする請求項1ないし請求項4いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
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