JP3960091B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、トレンチゲート構造を有する半導体装置およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
トレンチゲートを用いる素子においては、トレンチ内に形成されるゲート電極と、このゲート電極と接続するゲート配線引出し部(ゲートパッドのこと)との境界部であるトレンチ開口周縁部では、トレンチ内に埋め込まれるドープド・ポリシリコン(不純物をドープしたポリシリコンで抵抗値が極めて低いポリシリコンのこと)とトレンチから引き出されるゲート配線引出し部であるゲートパッドは同時に製作されるために、ゲートパッドのドープド・ポリシリコン直下の酸化膜はトレンチ内に形成されるゲート酸化膜の膜厚と等しくなる。
【0003】
図7および図8は、従来の半導体装置で、図7は要部平面図、図8(a)は図7のF−F線で切断した要部断面図、図8(b)は図7のG−G線で切断した要部断面図である。
図7および図8において、nシリコン基板201にストライプ状のトレンチ223を形成し、トレンチ223を挟んでpウエル領域221を形成し、pウエル領域221の表面層にトレンチ223を挟んでn+ ソース領域222を形成し、トレンチ223の側壁および底面にゲート酸化膜206を形成し、nシリコン基板201上にも、同時にゲート酸化膜206が形成され、このゲート酸化膜206は絶縁用酸化膜となる。トレンチ223にゲート酸化膜206を介してポリシリコンを充填し、ゲート電極207aを形成し、またトレンチ223の長手方向の端部側のゲート酸化膜206を介してポリシリコンでゲート配線引出し部であるゲートパッド207bを形成する。
【0004】
尚、以下の説明では、トレンチ開口周縁部を、図8(a)のn+ ソース領域222がある箇所(詳しくは、n+ ソース領域222の長手方向端部とゲートパッド207b端部の間の中間点)のトレンチ開口周縁部(以下、第1周縁部231と称す)と、同図(b)のゲートパッド207bと隣接する箇所のトレンチ開口周縁部(以下、第2周縁部232と称す)に分け、単にトレンチ開口周縁部という場合は両者を合わせたものを指すことととする。また、図7の224はゲート配線用のコンタクトホールである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ゲート酸化膜を介して、ゲート容量による電流(C・dV/dt)が第2周縁部232上のポリシリコンを通してゲートパッド207bに流れ、この第2周縁部232のコーナー部211のゲート酸化膜206b付近での電位分布がこの電流で乱される。また、形状的要因で、ゲート電圧印加時には、トレンチの先端箇所のコーナー部211、212のゲート酸化膜206付近では電界集中を起こしやすくなる(正のゲート電圧では211、負のゲート電圧では212で電界集中が起きやすい)。その結果、この箇所で、ゲート耐圧破壊が起こる。図9は、従来の半導体装置のゲート絶縁耐圧分布を示す図である。電界集中の割合は211、212の曲率半径に強く依存するため、ゲート絶縁耐圧分布もブロードになる。
【0006】
この発明の目的は、前記の課題を解決して、ゲート絶縁耐圧の向上を図ることができる半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、半導体基板に形成されたストライプ状のトレンチと、該トレンチ内面および前記トレンチに隣接する前記半導体基板表面上に形成されたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上に前記トレンチ内に充填されたゲート電極と、前記トレンチの長手方向の端部側で前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極と同じ材料で形成されたゲート配線引出し部とを具備する半導体装置において、前記トレンチの平面形状は、同一の幅を有する第1箇所と端部が徐々に狭くなっている第2箇所から構成され、前記ゲート絶縁膜の内、第1箇所に形成される第1ゲート絶縁膜の厚さより第2箇所に形成される第2ゲート絶縁膜の厚さを厚くする構成とする。
【0008】
半導体基板に形成されたストライプ状のトレンチと、該トレンチ内面および前記トレンチに隣接する前記半導体基板表面上に形成されたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜を介して前記トレンチ内に充填されたゲート電極と、前記トレンチの長手方向の端部側で前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極と同じ材料で形成されたゲート配線引出し部とを具備する半導体装置において、前記トレンチの先端近傍を除く箇所において、ゲート配線引出し部が、ゲート電極と接続する構成とする。
【0009】
また、前記ゲート電極および前記ゲート配線引出し部が、ポリシリコンで形成されるとよい。また、半導体基板に形成されたストライプ状のトレンチと、該トレンチ内面および前記トレンチに隣接する前記半導体基板表面上に形成されたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上に前記トレンチ内に充填されたゲート電極と、前記トレンチの長手方向の端部側で前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極と同じ材料で形成されたゲート配線引出し部とを具備する半導体装置の製造方法において、前記半導体基板に、平面形状が一定幅の第1箇所と、端部が徐々に狭くなる第2箇所から成るトレンチを形成する工程と、前記トレンチ内面に厚い絶縁膜を形成して第2箇所の先端近傍のトレンチを該厚い絶縁膜で充填する工程と、前記第2箇所の先端近傍のトレンチに充填された厚い絶縁膜を残し、前記第1箇所の側壁に形成された前記厚い絶縁膜を除去する工程と、前記トレンチ内面および前記トレンチに隣接する前記半導体基板表面上に前記厚い絶縁膜よりも厚さが薄い薄い絶縁膜を形成する工程と、前記厚い絶縁膜および前記薄い絶縁膜からなる前記ゲート絶縁膜上に、ポリシリコンにより前記ゲート電極およびゲート配線引出し部を形成する工程とを含む製造方法とする。
【0010】
【発明の実施の形態】
図1および図2は、この発明の第1実施例の半導体装置で、図1(a)は要部平面図、図1(b)は図1(a)のイ部の拡大図、図2(a)は図1(b)のA−A線で切断した要部断面図、図2(b)は図1(b)のB−B線で切断した要部断面図、図2(c)は図1(b)のC−C線で切断した要部断面図である。
【0011】
図1および図2において、nシリコン基板101にストライプ状のトレンチ123を形成する。このトレンチ123の両端部は、徐々に狭くなる形状となっている(一定幅の箇所が第1箇所で、徐々に狭くなっている箇所が第2箇所である)。トレンチ123を挟んでpウエル領域121を形成し、pウエル領域121の表面層にトレンチ123を挟んでnソース領域122を形成し、トレンチ123の側壁および底面に厚みがW1のゲート酸化膜118aを形成し、トレンチ123の第2箇所の先端付近に厚い膜厚(W2)のゲート酸化膜118bを形成する。nシリコン基板101上に絶縁用酸化膜118c(これは、ゲート酸化膜118aと同時に形成する)を形成する。トレンチ123にゲート酸化膜118a、118bを介してポリシリコンを充填してゲート電極119aを形成し、またトレンチ123の長手方向の端部側に、ゲート酸化膜118bおよび絶縁用酸化膜118cを介してポリシリコンでゲート配線引出し部であるゲートパッド119bを形成する。
【0012】
図2(a)のチャネル形成領域上のゲート酸化膜118aの膜厚を薄く形成し、図2(c)のゲートパッドと隣接するトレンチ123の第2箇所の先端付近のゲート酸化膜118bの膜厚は厚く形成する。図中の124はポリシリコンのゲートパッド119bが図示しない金属配線と接続させるための図示しないゲートパッド上に形成する絶縁膜に形成されるコンタクトホールである。また、131は第1周縁部で、a−a点線間のトレンチ123の長手方向のトレンチ開口周縁部を示し、132は第2周縁部で、a−a点線より外側(Y方向)のトレンチ123の端部先端付近のトレンチ開口周縁部を示す。
【0013】
ゲートパッド119bにプラス、n+ ソース領域122にマイナスの極性で、ゲート電圧を印加したとき、ゲート容量を介して電流がゲートパッド119bからゲート電極119aへ流れる。しかし、ゲート酸化膜118bが厚いために、この電流がコーナー部111aでの電位分布へ与える影響は小さく、コーナー部111aでの電界集中は小さい。そのため、ゲート破壊耐圧を向上させることができる。また、ゲート酸化膜118bの膜厚が厚いために、この箇所でのチャネル形成電圧であるゲートしきい値電圧を高くすることができる。そのため、この箇所でのゲートの機能を封じることができて、この箇所に主電流が流れないようにできる。このことで、半導体装置のゲート破壊耐圧が一層向上する。また、同様に、ゲートパッド119bにマイナス、n+ ソース領域122にプラスの極性で、ゲート電圧を印加したときにも、コーナー部111bのゲート酸化膜118bが厚いために、この箇所での電界集中は小さい。
【0014】
また、図2(a)のコーナー部112a、112bのゲート酸化膜118aは薄いが、その上にゲートパッド119bへ接続するポリシリコンがない(図1(b))ために、コーナー部112a、112bでの電界集中は小さい。
尚、図1および図2に示した半導体装置は完成品ではなく途中工程の一例であり、また、この図の他には、pウエル領域121がトレンチ123より深いものや、トレンチ123を挟むn+ ソース領域122が互いに繋がっているものなど、多種多様のものがある。また、図1(b)のA−A線で切断した箇所にn+ ソース領域122やpウエル領域121が無い場合もある。
【0015】
図3は、図1の半導体装置のゲート絶縁耐圧の分布を示した図である。厚いゲート酸化膜118bを形成したことで、ゲート絶縁耐圧の最小値は高くなり、分布もシャープになっている。図4は、この発明の第2実施例の半導体装置の製造方法で、同図(a)から同図(d)はトレンチにゲート酸化膜とゲート電極を形成する工程を工程順に示した要部平面図である。この図は図1(b)に相当した図である。図示しないpウェル領域121やn+ ソース領域121を形成した半導体基板101に端部が徐々に狭くなったストライプ状のトレンチ123を形成する。トレンチ123の一定幅の箇所は1μm程度である(同図(a))。つぎに、CVD(Chemical Vapor Deposition)法で、例えば、400nmの厚い酸化膜118cをトレンチ123内に形成する。先端近傍は、トレンチ123の側壁に形成された酸化膜同士が接触して、この先端付近は酸化膜118cで埋め尽くされる(充填される)(同図(b))。つぎに、一定幅のトレンチ123の側壁が露出するまで、酸化膜118cを除去する。このとき、トレンチ123の先端近傍には酸化膜118cが残留する(同図(c))。つぎに、例えば、100nmの薄い膜厚のゲート酸化膜118aをトレンチ123の側壁と底面に形成する。先端付近は、先に形成した酸化膜118cと今回形成したゲート酸化膜118aを合わせたものが厚いゲート酸化膜118bとなる。その後で、トレンチ123にゲート酸化膜118a、118bを介して、蒸着でポリシリコンを充填し、ゲート電極119aを形成する(同図(d))。
【0016】
図5は、この発明の第3実施例の半導体装置であり、同図(a)は要部平面図、同図(b)は同図(a)のロ部の拡大図である。
図1との違いは、トレンチ119aが長方形をしている点と、このトレンチ119aの端部がゲートパッド119bに接していない点である。トレンチ119aの端部が、ゲートパッド119bと接していないために、この端部でのゲート容量による電流の流れがなくなり、従って電界集中が起こらず、ゲート絶縁耐量が向上する。
【0017】
図6は、この発明の第4実施例の半導体装置の要部平面図である。この図は、図1(b)に相当する図で、図1との違いは、図5と同様に、トレンチ119aの端部がゲートパッド119bと接していない点である。図5と同様の効果が期待できる。
【0018】
【発明の効果】
この発明によれば、トレンチ端部を徐々に狭めたストライプ状として、端部の先端近傍のゲート絶縁膜の厚さを厚くすることで、形状に起因した電界集中によるゲート絶縁破壊を防止し、ゲート絶縁耐圧の向上と、ゲート絶縁耐圧のばらつきの低減を図ることができる。
【0019】
また、トレンチ端部にゲートパットを接触させないことで、形状に起因した電界集中によるゲート絶縁破壊を防止し、ゲート絶縁耐圧の向上と、ゲート絶縁耐圧のばらつきの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1実施例の半導体装置で、(a)は要部平面図、(b)は(a)のイ部の拡大図
【図2】この発明の第1実施例の半導体装置で、(a)は図1(b)のA−A線で切断した要部断面図、(b)は図1(b)のB−B線で切断した要部断面図、(c)は図1(b)のC−C線で切断した要部断面図
【図3】図1の半導体装置のゲート絶縁耐圧の分布を示した図
【図4】この発明の第2実施例の半導体装置の製造方法で、(a)から(d)はトレンチにゲート酸化膜とゲート電極を形成する工程を工程順に示した要部平面図
【図5】この発明の第3実施例の半導体装置であり、(a)は要部平面図、(b)は(a)のロ部の拡大図
【図6】この発明の第4実施例の半導体装置の要部平面図
【図7】従来の半導体装置の要部平面図
【図8】従来の半導体装置の要部平面図で、(a)は図7のF−F線で切断した要部断面図、(b)は図7のG−G線で切断した要部断面図
【図9】従来の半導体装置のゲート絶縁耐圧分布を示す図
【符号の説明】
101 nシリコン基板
102 第1熱酸化膜
103 第1フォトレジスト
104 第2熱酸化膜(犠牲酸化膜)
111a、111b、112a、112b コーナー部
118a、118b ゲート酸化膜
118c 酸化膜
119a ゲート電極
119b ゲートパッド
121 pウエル領域
122 n+ ソース領域
123 トレンチ
124 コンタクトホール
131 第1周縁部
132 第2周縁部
W1 薄いゲート酸化膜の厚さ
W2 厚いゲート酸化膜の厚さ
Claims (4)
- 半導体基板に形成されたストライプ状のトレンチと、該トレンチ内面および前記トレンチに隣接する前記半導体基板表面上に形成されたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上に前記トレンチ内に充填されたゲート電極と、前記トレンチの長手方向の端部側で前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極と同じ材料で形成されたゲート配線引出し部とを具備する半導体装置において、前記トレンチの平面形状は、同一の幅を有する第1箇所と端部が徐々に狭くなっている第2箇所から構成され、前記ゲート絶縁膜の内、第1箇所に形成される第1ゲート絶縁膜の厚さより第2箇所に形成される第2ゲート絶縁膜の厚さを厚くすることを特徴とする半導体装置。
- 半導体基板に形成されたストライプ状のトレンチと、該トレンチ内面および前記トレンチに隣接する前記半導体基板表面上に形成されたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜を介して前記トレンチ内に充填されたゲート電極と、前記トレンチの長手方向の端部側で前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極と同じ材料で形成されたゲート配線引出し部とを具備する半導体装置において、前記トレンチの先端近傍を除く箇所において、ゲート配線引出し部が、ゲート電極と接続することを特徴とする半導体装置。
- 前記ゲート電極および前記ゲート配線引出し部が、ポリシリコンで形成されることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。
- 半導体基板に形成されたストライプ状のトレンチと、該トレンチ内面および前記トレンチに隣接する前記半導体基板表面上に形成されたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上に前記トレンチ内に充填されたゲート電極と、前記トレンチの長手方向の端部側で前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極と同じ材料で形成されたゲート配線引出し部とを具備する半導体装置の製造方法において、前記半導体基板に、平面形状が一定幅の第1箇所と、端部が徐々に狭くなる第2箇所から成るトレンチを形成する工程と、前記トレンチ内面に厚い絶縁膜を形成して第2箇所の先端近傍のトレンチを該厚い絶縁膜で充填する工程と、前記第2箇所の先端近傍のトレンチに充填された厚い絶縁膜を残し、前記第1箇所の側壁に形成された前記厚い絶縁膜を除去する工程と、前記トレンチ内面および前記トレンチに隣接する前記半導体基板表面上に前記厚い絶縁膜よりも厚さが薄い薄い絶縁膜を形成する工程と、前記厚い絶縁膜および前記薄い絶縁膜からなる前記ゲート絶縁膜上に、ポリシリコンにより前記ゲート電極およびゲート配線引出し部を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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