JP3750627B2 - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、トレンチゲート型半導体装置及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来のトレンチゲート型半導体装置のうち、基板表面におけるトレンチの平面パターンが、格子状に形成されているメッシュ構造のものがある。このような構造の半導体装置の平面図を図4に示す。
【0003】
図4は、セル領域及びゲート引き出し配線領域における半導体基板表面である。なお、通常、セル領域及びゲート引き出し配線領域の上には、層間絶縁膜、ソース電極等が形成されているが、図4では、省略している。
【0004】
セル領域では、基板表層にメッシュ構造のトレンチが形成され、このトレンチ内にゲート絶縁膜を介してゲート電極6が形成されている。なお、以下では、このトレンチ内に形成されているゲート電極6をトレンチゲート6と呼ぶ。一方、ゲート引き出し配線領域では、トレンチゲート6の終端部30は直線形状となっている。このゲート引き出し配線領域において、トレンチゲート6の終端部30がゲート引き出し配線18と接続されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この終端部30の先端のコーナーにて、電界集中が発生してしまう。このため、セル領域が持つ本来のソース・ゲート間耐圧よりも低い電圧で、このトレンチゲート6の終端部30におけるゲート絶縁膜が破壊されるという問題があった。
【0006】
本発明は上記点に鑑みて、メッシュ構造のセルを有するトレンチゲート型半導体装置にて、ゲート引き出し配線領域におけるソース・ゲート間耐圧を向上させることできる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。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、セルがメッシュ構造であるトレンチゲート型の半導体装置において、半導体基板にて、ゲート引き出し配線(18)が形成されているゲート引き出し配線領域と、ゲート引き出し配線領域にて、セルにおけるトレンチゲート(6)と同じ平面パターンの形状にて形成されたトレンチゲート(16)とを備え、ゲート引き出し配線領域におけるトレンチゲート(16)の終端部が、セルにおけるトレンチゲート(6)と同じ平面パターンの形状となっていることを特徴としている。
【0008】
これにより、トレンチゲートの終端の形状が従来の直線形状である場合に比べて、電界集中を緩和することができ、ゲート引き出し配線領域におけるソース・ゲート間耐圧を向上させることができる。
【0009】
例えば、請求項2に示すように、第1導電型の半導体層(2)を有する半導体基板(3)と、半導体基板(3)にて、半導体素子が形成されているセル領域と、半導体基板(3)にて、ゲート引き出し配線(18)が形成されているゲート引き出し配線領域とを備え、セル領域は、半導体層(2)表面における平面構造が、各内角が90°以上である略多角形、若しくは略円形形状のメッシュ構造である第1トレンチ(4)及び第1トレンチ(4)内に第1ゲート絶縁膜(5)を介して形成された第1ゲート電極(6)と、半導体層(2)の表層であって、半導体層(2)表面にて、第1トレンチ(4)に囲まれたメッシュ領域に形成された第2導電型のベース領域(7)と、ベース領域(7)の表層に形成された第1導電型のソース領域(8)と、半導体層(2)表面上に形成された層間絶縁膜(9)と、層間絶縁膜(9)上に形成され、ソース領域(8)と電気的に接続された第1電極(10)と、半導体基板(3)の裏側に形成された第2電極(21)とを有し、ゲート引き出し配線領域には、半導体層(2)表層にて、半導体層(2)表面における平面構造が、第1トレンチ(4)と同形状にて形成された第2トレンチ(14)と、第2トレンチ(14)内に第2ゲート絶縁膜(15)を介して形成され、第1ゲート電極(6)と電気的に接続された第2ゲート電極(16)とを有し、且つ基板(3)表面のうち、第2トレンチ(14)に囲まれたメッシュ領域が第1電極(10)と電気的に絶縁されているダミーセルが形成されており、第2ゲート電極(16)上に、ゲート引き出し配線(18)が配置され、第2ゲート電極(16)と、ゲート引き出し配線(18)とが電気的に接続されている構造とすることができる。
【0010】
このように本発明の半導体装置は、セル領域でのセルと同じく各内角が90°以上である略多角形、若しくは略円形形状であるメッシュ構造のトレンチゲート(16)を有するダミーセルをゲート配線引き出し領域に備えている。そして、このダミーセルにおけるトレンチゲート(16)がゲート引き出し配線領域における終端となっている。
【0011】
これにより、トレンチゲートの終端の形状が従来の直線形状である場合に比べて、電界集中を緩和することができ、ゲート引き出し配線領域におけるソース・ゲート間耐圧を向上させることができる。
【0012】
請求項3に記載の発明では、第1導電型の半導体層(2)を有する半導体基板(3)を用意する工程と、半導体層(2)表層のうち、セル形成予定領域に、半導体層(2)表面における平面構造が、各内角が90°以上である略多角形、若しくは略円形形状のメッシュ構造である第1トレンチ(4)を形成すると共に、ゲート引き出し配線(18)形成予定領域に、半導体層(2)表面における平面構造が、第1トレンチ(4)と同じであり、かつ第1トレンチ(4)と接続されている第2トレンチ(14)を形成する工程と、第1トレンチ(4)内に第1ゲート絶縁膜(5)を介して、第1ゲート電極(6)を形成すると共に、第2トレンチ(14)内に第2ゲート絶縁膜(15)を介して、第1ゲート電極(6)と電気的に接続された第2ゲート電極(16)を形成する工程と、半導体層(2)表層のうち、セル形成予定領域における第1トレンチ(4)に囲まれたメッシュ領域にて、第2導電型のベース領域(7)を形成し、ベース領域(7)の表層に第1導電型のソース領域(8)を形成する工程と、ゲート引き出し配線形成予定領域にて、第2ゲート電極(16)と接続されたゲート引き出し配線(18)を形成する工程と、セル形成予定領域及びゲート引き出し配線(18)上に層間絶縁膜(9)を形成する工程と、セル形成予定領域にて、層間絶縁膜(9)上に、ソース領域(8)と電気的に接続された第1電極(10)を形成することで、セルを形成すると共に、ゲート引き出し配線形成予定領域にて、半導体基板(3)表面のうち、第2トレンチ(14)に囲まれた領域を第1電極と電気的に絶縁させることで、ダミーセルを形成する工程と、半導体基板(3)の裏面に第2電極(21)を形成する工程とを有することを特徴としている。
【0013】
このような製造方法により、請求項2に記載の半導体装置が得られる。
【0014】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述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。
【0015】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)
図1(a)に本発明を適用した第1実施形態におけるメッシュ構造であるトレンチゲートを有する半導体装置の平面図を示す。なお、図1(a)では、層間絶縁膜及びソース電極を省略している。また、図1(b)に図1(a)中のA−A’断面を示し、図2に図1(a)中のB−B’断面、図3に図1(a)中のC−C’断面を示す。
【0016】
本実施形態での半導体装置は、図1(b)に示すように、例えばN+型シリコン基板1上にN-型層2を有する半導体基板3を備えている。そして、半導体基板3は、セル領域とゲート引き出し配線領域とを有している。
【0017】
セル領域では、従来の構造と同様に、メッシュ構造(網の目構造)のトレンチゲート6を有している。
【0018】
具体的には、半導体基板3の表層にトレンチ4が形成されている。このトレンチ4の内壁に形成されたゲート絶縁膜としてのゲート酸化膜5を介して、ゲート電極(トレンチゲート)6が形成されている。なお、ゲート電極6は、例えばPolySiにて構成されている。また、トレンチ4、ゲート酸化膜5、及びトレンチゲート6が、それぞれ、特許請求の範囲に記載されている第1トレンチ、第1ゲート絶縁膜、及び第1ゲート電極に相当する。
【0019】
このトレンチゲート6は、図1(a)に示すように、基板表面を上から見たとき、1つの網の目が例えば6角形である網の目状に配置されている。なお、以下では、1つの網の目が6角形である網の目状を、単に6角形のメッシュ構造と呼ぶ。そして、この6角形形状に配置されたトレンチゲート6の内側の領域、言い換えると、トレンチゲート6に囲まれたメッシュ領域には、P型ベース領域7が形成されている。
【0020】
このP型ベース領域7は、図1(b)、図2に示すように、トレンチ4よりも浅く形成されている。また、N+型ソース領域8はP型ベース領域7の表層内にて、トレンチ4と接して形成されている。
【0021】
そして、図1(b)に示すように、半導体基板3の表面上に層間絶縁膜9が形成されており、この層間絶縁膜9上にAlにて構成された第1電極としてのソース電極10が形成されている。このソース電極10は、層間絶縁膜9中に形成されたコンタクトホール11を介して、P型ベース領域7及びN+型ソース領域8と電気的に接続されている。このようにセル領域では、セルが形成されている。
【0022】
一方、ゲート引き出し配線領域では、ダミーセルが形成されている。このダミーセルは、図1(a)に示すように、セル領域のセルから延長して形成されたトレンチゲート16を有している。このトレンチゲート16は、セルと同様に、6角形のメッシュ構造となっている。
【0023】
図3に示すように、ダミーセルは、半導体基板3の表層に形成されたトレンチ14と、トレンチ14内に形成されたゲート酸化膜15及びトレンチゲート16とを有しているが、P型ベース領域7及びN+型ソース領域8を有していない構造となっている。なお、トレンチ14、ゲート酸化膜15、及びトレンチゲート16がそれぞれ、特許請求の範囲に記載されている第2トレンチ、第2ゲート絶縁膜、及び第2ゲート電極に相当する。
【0024】
ゲート引き出し配線領域では、図1(b)に示すように、半導体基板3表面上にLOCOS法による酸化膜17が形成されている。そして、この酸化膜17上には、PolySiにて構成されたゲート引き出し配線18が形成されている。このゲート引き出し配線18は、図3に示すように、ダミーセル上の酸化膜22及びトレンチゲート16上にも形成されており、トレンチゲート16と接続されている。
【0025】
また、ダミーセルが有するトレンチゲート16と、ゲート引き出し配線18との上には、層間絶縁膜9が形成されている。そして、ダミーセルが形成された領域では、層間絶縁膜9の上にセル領域から延びてソース電極10が形成されている。
【0026】
しかしながら、セル領域と異なり、このダミーセルにおいては、層間絶縁膜9中にコンタクトホールが形成されていない。したがって、半導体基板3表面のうち、メッシュ構造のトレンチゲート16の内側であり、言い換えると、トレンチゲート16に囲まれたメッシュ領域では、ソース電極10と電気的に絶縁されている。
【0027】
また、層間絶縁膜9上には、このソース電極10と離れてAlにて構成されたゲート配線19が形成されている。このゲート配線19は層間絶縁膜9中に形成されたスルーホール20を介して、ゲート引き出し配線18と電気的に接続されている。
【0028】
そして、半導体基板3の裏側には、ドレイン電極21が形成されている。
【0029】
このように構成された半導体装置は、トレンチゲート6に電圧が印加され、P型ベース領域7のうち、トレンチ4に隣接している領域がチャネル領域となり、セル領域にて、ソース電極10とドレイン電極21との間に電流が流れる。なお、ダミーセルはソース電極10と絶縁されているので、ダミーセルでは電流は流れない。
【0030】
本実施形態では、上記したように、セル領域に形成されたセルのゲート引き出し配線側にダミーセルを有した構成となっている。そして、このダミーセルは、ゲート引き出し配線領域に配置されており、このダミーセルにおけるトレンチゲート16がゲート引き出し配線18と接続されている。
【0031】
すなわち、ダミーセルにおける6角形形状に配置されたトレンチゲート16が、ゲート引き出し配線領域におけるトレンチゲートの終端部となっている。このようにトレンチゲートの終端は、直線形状でなく、セルと同様に6角形形状を構成するように配置されている。このため、トレンチゲートの終端の形状が従来の直線形状の場合のようなコーナー部を有していないので、電界集中を緩和することができる。
【0032】
なお、電界集中を緩和する方法として、従来では、トレンチゲート6の終端部30におけるゲート絶縁膜を厚くする方法があった。しかしながら、このような構造となるように半導体装置を製造すると、作動領域であるセル領域におけるゲート絶縁膜の膜厚も厚くなる。そのため、素子の基本的な特性であるオン抵抗が劣化してしまうことから、好ましくなかった。
【0033】
これに対して、本実施形態では、ゲート絶縁膜を厚くすることなく、ゲート・ソース間耐圧を向上させ、ゲートの信頼性を向上させることができる。
【0034】
次に本実施形態における半導体装置の製造方法を説明する。なお、本実施形態では、ダミーセル以外のセル領域等は、一般的な方法にて形成する。
【0035】
まず、N+型基板1を用意し、このN+型基板1上にエピタキシャル成長にて、N-型層2を形成することで、半導体基板3を形成する。
【0036】
次に、CVD法等により、酸化膜を堆積させ、さらに、ホトリソグラフィ工程を行う。これにより、半導体基板3表面に酸化膜22を形成する。そして、この酸化膜22をマスクとして、半導体基板3表層をエッチングすることで、半導体基板3のうち、セルの形成予定領域からゲート引き出し配線の形成予定領域にかけて、トレンチ4、14を形成する。このとき、トレンチ4、14の平面パターンが6角形のメッシュ構造となるように形成する。
【0037】
続いて、トレンチ4、14の内壁にゲート酸化膜5、15を形成する。このとき、ゲート引き出し配線の形成予定領域においては、例えば、B(ボロン)を用いたイオン注入にて、P型well領域23を形成する。さらに、半導体基板3表面を熱酸化することで、酸化膜17を形成する。さらに、ゲート酸化膜5、15を介して、トレンチ4、14中にトレンチゲート6、16を形成する。
【0038】
次に、セル形成予定領域にて、トレンチゲート6に囲まれたメッシュ領域にP型ベース領域7、N+型ソース領域8を形成する。この工程では、まず、ホトリソグラフィ工程を行い、半導体基板3上にマスクを形成する。このとき、ゲート引き出し配線の形成予定領域にてトレンチゲート16に囲まれたメッシュ領域では、マスクが開口されていない状態とする。そして、セル形成予定領域において、不純物として、例えば、Bを用いたイオン注入にて、深さがトレンチ4よりも浅いP型ベース領域7を形成する。続いて、P型ベース領域7の表層内において、例えば、Asをイオン注入することで、トレンチ4に隣接したN+型ソース領域8を形成する。
【0039】
これにより、セル形成予定領域にて、トレンチゲート6に囲まれたメッシュ領域にP型ベース領域7及びN+型ソース領域8が形成される。一方、ゲート引き出し配線の形成予定領域においては、トレンチゲート16に囲まれたメッシュ領域にP型ベース領域7及びN+型ソース領域8が形成されない。
【0040】
そして、ゲート引き出し配線の形成予定領域にて、酸化膜17上からトレンチゲート16及び酸化膜22上に渡って、PolySiを堆積させる。これにより、トレンチゲート16と接続されたゲート引き出し配線18が形成される。
【0041】
次に、ゲート引き出し配線18上からセル形成予定領域に渡って、半導体基板3上に層間絶縁膜9を形成する。続いて、セル形成予定領域にて、P型ベース領域7及びN+型ソース領域8が形成されている領域上の層間絶縁膜9中にコンタクトホール11を形成する。このとき、ゲート引き出し配線の形成予定領域では、コンタクトホール11を形成しない。
【0042】
また、ゲート引き出し配線18上の層間絶縁膜9中にスルーホール20を形成する。
【0043】
その後、コンタクトホール11を介して、P型ベース領域7及びN+型ソース領域8と電気的に接続されるように、層間絶縁膜9上にソース電極10を形成する。これにより、セル領域にて、セルが形成される。一方、ゲート引き出し配線の形成予定領域では、トレンチゲート16に囲まれたメッシュ領域がソース電極10と電気的に絶縁されたダミーセルが形成される。
【0044】
また、ソース電極10と離れて、スルーホール20を介して、ゲート引き出し配線18と電気的に接続されるように、層間絶縁膜9上にゲート配線19を形成する。
【0045】
このようにして、図1(a)、(b)、図2、図3に示す半導体装置が形成される。
【0046】
従来では、トレンチゲートの終端部を、セルが有するトレンチゲートとは異なる特別な平面パターンとする方法があるが、本実施形態では、ダミーセルを有する構造としていることから、トレンチゲートの終端部を特別な平面パターンとする必要がない。
【0047】
このため、トレンチ4、14を形成する際において、セル形成予定領域とゲート引き出し配線の形成予定領域とでは、マスクパターン形状が同一であることから、マスクパターンの形成が容易となる。また、セル形成予定領域とゲート引き出し配線の形成予定領域とで異なるトレンチ形状とする場合と比較して、マスクパターン形成にて、形状不良が生じにくい。
【0048】
なお、本実施形態では、ダミーセルにおいて、P型ベース領域7及びN+型ソース領域8を形成していないが、P型ベース領域7及びN+型ソース領域8をダミーセルに形成しても良い。この場合でも、層間絶縁膜9中にコンタクトホール11を形成しないので、ソース電極10と電気的に絶縁される。
【0049】
また、本実施形態では、トレンチ4、14を形成した後、P型ベース領域7及びN+型ソース領域8を形成しているが、形成順序が逆になっても良い。
【0050】
また、本実施形態では、トレンチゲート6、16は1つの網の目が6角形形状のメッシュ形状の場合を例として説明してきたが、1つの網の目が6角形形状の場合に限らず、各内角が90°以上である略多角形若しくは、略円形形状のメッシュ構造とすることもできる。このような構造としても、従来の構造と比較して、ゲート耐圧を向上させることができる。なお、トレンチゲート6、16のメッシュ構造としては、ゲート耐圧の向上の観点から1つの網の目が略円形形状である場合が最も好ましい。
【0051】
また、本実施形態では、ダミーセルがセルのゲート引き出し配線領域側に、1列だけ形成されていたが、ダミーセルが2列形成された構造とすることができる。また、ダミーセルは2列に限らず、3列以上としても良い。
【0052】
また、本実施形態では、第1導電型がN型であり、第2導電型がP型であるMOSトランジスタを例として説明していたが、導電型を入れ替え、第1導電型をP型、第2導電型をN型としても良い。また、基板1と半導体層2とが異なる導電型であるIGBTにおいても、本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は本発明を適用した第1実施形態における半導体装置の平面図であり、(b)は(a)中のA−A’断面を示す図である。
【図2】図1(a)中のB−B’断面を示す図である。
【図3】図1(a)中のC−C’断面を示す図である。
【図4】従来における半導体装置の平面図である。
【符号の説明】
1…N+型基板、2…N-型層、6、16…トレンチゲート、
7…P型ベース領域、8…N+型ソース領域、9…層間絶縁膜、
10…ソース電極、17…酸化膜、18…ゲート引き出し配線、
19…ゲート配線、23…P型well領域。
Claims (3)
- 基板表面におけるトレンチゲート(6)の平面パターンが、各内角が90°以上である略多角形、若しくは略円形形状であるメッシュ構造のセルを有するトレンチゲート型半導体装置において、
半導体基板にて、ゲート引き出し配線(18)が形成されているゲート引き出し配線領域と、
前記ゲート引き出し配線領域に、前記セルにおける前記トレンチゲート(6)と同じ平面パターンの形状にて形成されたトレンチゲート(16)とを備え、
前記ゲート引き出し配線領域における前記トレンチゲート(16)の終端部が、前記セルにおける前記トレンチゲート(6)と同じ平面パターンの形状であることを特徴とする半導体装置。 - 第1導電型の半導体層(2)を有する半導体基板(3)と、
前記半導体基板(3)にて、半導体素子が形成されているセル領域と、
前記半導体基板(3)にて、ゲート引き出し配線(18)が形成されているゲート引き出し配線領域とを備え、
前記セル領域は、前記半導体層(2)表面における平面構造が、各内角が90°以上である略多角形、若しくは略円形形状のメッシュ構造である第1トレンチ(4)及び前記第1トレンチ(4)内に第1ゲート絶縁膜(5)を介して形成された第1ゲート電極(6)と、
前記半導体層(2)の表層であって、前記半導体層(2)表面にて、前記第1トレンチ(4)に囲まれたメッシュ領域に形成された第2導電型のベース領域(7)と、
前記ベース領域(7)の表層に形成された第1導電型のソース領域(8)と、
前記半導体層(2)表面上に形成された層間絶縁膜(9)と、
前記層間絶縁膜(9)上に形成され、前記ソース領域(8)と電気的に接続された第1電極(10)と、
前記半導体基板(3)の裏側に形成された第2電極(21)とを有し、
前記ゲート引き出し配線領域には、前記半導体層(2)表層にて、前記半導体層(2)表面における平面構造が、前記第1トレンチ(4)と同形状にて形成された第2トレンチ(14)と、前記第2トレンチ(14)内に第2ゲート絶縁膜(15)を介して形成され、前記第1ゲート電極(6)と電気的に接続された第2ゲート電極(16)とを有し、且つ前記基板(3)表面のうち、前記第2トレンチ(14)に囲まれたメッシュ領域が前記第1電極(10)と電気的に絶縁されているダミーセルが形成されており、
前記第2ゲート電極(16)上に、前記ゲート引き出し配線(18)が配置され、該第2ゲート電極(16)と、前記ゲート引き出し配線(18)とが電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。 - 第1導電型の半導体層(2)を有する半導体基板(3)を用意する工程と、
前記半導体層(2)表層のうち、セル形成予定領域に、前記半導体層(2)表面における平面構造が、各内角が90°以上である略多角形、若しくは略円形形状のメッシュ構造である第1トレンチ(4)を形成すると共に、ゲート引き出し配線(18)形成予定領域に、前記半導体層(2)表面における平面構造が、第1トレンチ(4)と同じであり、かつ前記第1トレンチ(4)と接続されている第2トレンチ(14)を形成する工程と、
前記第1トレンチ(4)内に第1ゲート絶縁膜(5)を介して、第1ゲート電極(6)を形成すると共に、前記第2トレンチ(14)内に第2ゲート絶縁膜(15)を介して、前記第1ゲート電極(6)と電気的に接続された第2ゲート電極(16)を形成する工程と、
前記半導体層(2)表層のうち、前記セル形成予定領域における前記第1トレンチ(4)に囲まれたメッシュ領域にて、第2導電型のベース領域(7)を形成し、該ベース領域(7)の表層に第1導電型のソース領域(8)を形成する工程と、
前記ゲート引き出し配線形成予定領域にて、前記第2ゲート電極(16)と接続されたゲート引き出し配線(18)を形成する工程と、
前記セル形成予定領域及び前記ゲート引き出し配線(18)上に層間絶縁膜(9)を形成する工程と、
前記セル形成予定領域にて、前記層間絶縁膜(9)上に、前記ソース領域(8)と電気的に接続された第1電極(10)を形成することで、セルを形成すると共に、前記ゲート引き出し配線形成予定領域にて、前記半導体基板(3)表面のうち、前記第2トレンチ(14)に囲まれた領域を前記第1電極と電気的に絶縁させることで、ダミーセルを形成する工程と、
前記半導体基板(3)の裏面に第2電極(21)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。
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