JP4830265B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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この発明は、特に、スイッチング電源用IC,自動車パワー部品駆動用IC、フラットパネルディスプレイ用駆動用ICなど高耐圧で高電流を制御するICに用いられる低オン抵抗の絶縁ゲート型トランジスタを含む半導体装置の製造方法に関し、特にトレンチを主要構成部として備えるトレンチ横型MOSFETと、気相成長法により成膜される上層下層導電膜により誘電体層が挟まれてなる積層構造を主要基本構成とするキャパシタとを同一半導体基板上に備える半導体装置の製造方法に関する。 The present invention particularly relates to a semiconductor device including a low on-resistance insulated gate transistor used in an IC for controlling a high current with a high breakdown voltage, such as a switching power supply IC, an automotive power component driving IC, and a flat panel display driving IC. In particular, a trench lateral MOSFET having a trench as a main component, and a capacitor having a multilayer structure in which a dielectric layer is sandwiched between upper and lower conductive films formed by vapor deposition as a main basic component, The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device provided on the same semiconductor substrate.
近年、携帯機器の急速な普及や通信技術の高度化などに伴い、パワーMOSFETを内蔵したパワーICの重要性が高まっている。最近、このようなパワーMOSFETとしては、低オン低抵抗が得られ、高集積化が可能なトレンチ横型MOSFET(以降、TLPMと略す)が注目されている。一方、P型シリコン基板を用いて、ポリシリコンからなる二層の電極膜間に誘電体膜を挟持する構成からなるキャパシタの製造方法についても、それ自体はよく知られているところである。
前記TLPMについては、よく知られているようにトレンチ底部にドレインコンタクトを設けるタイプのTLPM(以下、TLPM/Dとする)と、トレンチ底部にソースコンタクトを設けるタイプのTLPM(以下、TLPM/Sとする)がある。これらのTLPMでは、MOSFETとしての機能電流を駆動する領域(以下、活性領域とする)、および基板表面にゲート電極膜となるゲートポリシリコンを引き出す領域(以下、ゲート領域とする)のいずれにおいても、前記トレンチの中央部には、デバイス表面のドレイン電極膜とトレンチ底部のドレイン領域(TLPM/Dの場合)、またはデバイス表面のソース電極膜とトレンチ底部のソース領域(TLPM/Sの場合)とを電気的に接続するポリシリコンなどの導電体が、前記トレンチを埋める層間絶縁膜中に形成された開口部に埋設された状態で配置されている(特許文献1または2参照。)。
In recent years, with the rapid spread of portable devices and the advancement of communication technology, the importance of power ICs incorporating power MOSFETs has increased. Recently, as such a power MOSFET, a trench lateral MOSFET (hereinafter abbreviated as TLPM), which has a low on-low resistance and can be highly integrated, has attracted attention. On the other hand, a method for manufacturing a capacitor having a configuration in which a dielectric film is sandwiched between two electrode films made of polysilicon using a P-type silicon substrate is well known.
As is well known, the TLPM is a type of TLPM having a drain contact at the bottom of the trench (hereinafter referred to as TLPM / D) and a type of TLPM having a source contact at the bottom of the trench (hereinafter referred to as TLPM / S). There is). In these TLPMs, in any of a region for driving a functional current as a MOSFET (hereinafter referred to as an active region) and a region for extracting gate polysilicon serving as a gate electrode film on the substrate surface (hereinafter referred to as a gate region). The drain electrode film on the device surface and the drain region at the bottom of the trench (in the case of TLPM / D) or the source electrode film on the device surface and the source region at the bottom of the trench (in the case of TLPM / S) A conductor such as polysilicon that electrically connects is buried in an opening formed in an interlayer insulating film that fills the trench (see
前述したTLPMとキャパシタとを同一基板上に集積化した半導体装置の製造方法について以下説明する。TLPMとしては、前述のようにトレンチの底がドレインとなるNチャネルTLPM/Dの場合で説明する。図5に示すように、P型シリコン基板(P―sub)50に選択的にPウェル領域(図5の表示範囲では選択的ではなく全面となっている)51を形成する。図6に示すように、TLPMを形成する領域部分に所定のパターン加工された熱酸化膜、CVD酸化膜等の酸化膜52をマスクとして、異方性エッチングによりトレンチ53を形成する。続いて、イオン注入法を用いて、トレンチ53の底面だけに選択的にNドレイン領域54を形成する。図7に示すように、キャパシタを形成する領域に、キャパシタを前記TLPMその他の半導体素子から素子分離するためのLOCOS酸化膜56を形成する。次に、図8に示すように、ゲート酸化膜57を熱酸化法により形成し、さらに、トレンチ53内壁面を含む全面にポリシリコン膜をCVD法により形成した後、フォトレジスト膜(図示せず)を全面に塗布し、第一電極膜60の形成部分の上だけ残すように前記フォトレジスト膜をパターニング加工し、この加工により得られたフォトレジスト膜をマスクとして異方性エッチングにより前記ポリシリコン膜をエッチングして、第一電極膜60とゲート電極膜59を形成する。このとき、前記ゲート電極膜59の形成は異方性エッチングで行なわれるため、トレンチ53の側壁に形成されていたポリシリコン膜の表面には、前記フォトレジスト膜がマスクとして形成されていなくても、エッチングされずゲート電極膜59として残ることにより形成される。
A method for manufacturing a semiconductor device in which the above-described TLPM and capacitor are integrated on the same substrate will be described below. The TLPM will be described in the case of the N-channel TLPM / D in which the bottom of the trench is the drain as described above. As shown in FIG. 5, a P-well region 51 (which is not selective in the display range of FIG. 5 but the entire surface) 51 is selectively formed on a P-type silicon substrate (P-sub) 50. As shown in FIG. 6, a
次に、イオン注入により、Nソース領域58を形成し、さらにキャパシタの誘電体膜61として利用することになるシリコン酸化膜を形成する。このシリコン酸化膜に対して、第一電極膜60の上に対応する部分を残すようにフォトエッチングしてキャパシタの誘電体膜61を形成する。次に、全面にポリシリコン膜を形成した後、前述の第一電極膜60の形成と同様な方法で、前記ポリシリコン膜をパターンエッチングすることにより、第二電極膜62を、第一電極膜60と誘電体膜61の上に形成する。次に、トレンチ53内を埋める層間絶縁膜55をCVD法により形成した後、層間絶縁膜55表面の凹凸を平坦化するために、化学機械研磨(Chemical Mechanical Polishing以下CMPと略す)法により研磨する。TLPM領域63とキャパシタ領域64のそれぞれの各電極膜位置に、開口部65、66、67、68をフォトリソグラフ技術により形成し、前記開口部にバリアメタル69、70、71、72と、埋め込み金属プラグ73、74、75、76と、金属電極膜77、78、79、80とをこの順に形成すると、図10に示すようなTLPMとキャパシタとを同一半導体基板上に備える半導体装置ができる。前記バリアメタルとしては、TiまたはTi−N膜、埋め込み金属プラグとしてはタングステン、前記金属電極膜としたは、アルミニウムなどの金属が用いられる。
Next, an
他方、前述した半導体装置とは集積される素子が異なるパワーIC用の横型パワーMOSFETに関する内容であるが、デバイスピッチが小さく、単位面積当たりのオン抵抗を小さくすることができる発明が知られている(特許文献3−段落0029)。この特許文献では、ポリシリコン膜を全面に形成後、異方性エッチングによりトレンチ内の側壁にのみゲート電極膜となるポリシリコン膜を残すという開示がある。
しかしながら、前記図10に示す半導体装置はTLPMの電気特性に関する不良発生率が高いという問題が発生した。そこで、前述のTLPMの電気特性不良が高いという問題点について、鋭意調べた結果、前述のキャパシタの第二電極膜62を形成する際、この第二電極膜62についても、前記第一電極膜60の形成の場合と同様に全面に形成したポリシリコン膜の異方性エッチングにより所定のパターンが形成されるので、前記ポリシリコンゲート電極膜59がトレンチ53の内壁に形成されるのと同様に、トレンチ53の内壁にポリシリコン膜62aが残ってしまい、層間絶縁膜55の絶縁性不良となり易いためであることが、前述の不良発生率の高い原因であることを突き止めた。
本発明は、以上、説明した点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、トレンチ型絶縁ゲート型トランジスタとを同一半導体基板上に備える半導体装置の製造方法において、絶縁ゲート型トランジスタの電気特性不良の発生を少なくすることのできる半導体装置の製造方法を提供することである。
However, the semiconductor device shown in FIG. 10 has a problem that the defect occurrence rate related to the electrical characteristics of TLPM is high. Therefore, as a result of intensive investigation on the problem that the electrical characteristic failure of the TLPM is high, when the
The present invention has been made in view of the above-described points. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device including a trench type insulated gate transistor on the same semiconductor substrate. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor device that can reduce the occurrence of electrical characteristic defects.
特許請求の範囲の請求項1記載の本発明によれば、半導体基板に形成されるトレンチの側壁に絶縁膜を介してゲート電極膜が形成される絶縁ゲート型トランジスタと、前記半導体基板上に素子分離領域を介して順次積層される第一電極膜、第二電極膜および該第一電極膜と第二電極膜とに挟持される誘電体膜とからなるキャパシタを備える半導体装置の製造方法において、順次処理される、前記トレンチを形成する工程と、前記素子分離領域を前記トレンチに対し離間させて形成する工程と、前記トレンチの側壁に前記絶縁膜を形成する工程、前記半導体基板表面およびトレンチ内面に第一電極膜形成用導電膜を形成する工程と、前記第一電極膜形成領域上の前記第一電極膜形成用導電膜にマスクを形成する工程と、前記第一電極膜形成用導電膜を異方性エッチングすることにより、前記第一電極膜および前記ゲート電極膜を形成する工程と、前記半導体基板表面および前記トレンチの側壁および底面に前記ゲート電極膜の表面を覆うように前記誘電体膜を形成する工程と、前記半導体基板表面および前記トレンチの側壁および底面に前記誘電体膜の表面を覆うように第二電極膜形成用導電膜を形成する工程と、該第二電極膜形成用導電膜上の前記第二電極膜形成領域上にマスクを形成する工程と、前記第二電極膜形成用導電膜を等方性エッチングして第二電極膜を形成する工程と、前記トレンチを層間絶縁膜で埋める工程と、を備える半導体装置の製造方法とすることにより、上記目的は達成される。
また、特許請求の範囲の請求項2に記載の本発明によれば、請求項1の製造方法において、前記トレンチを層間絶縁膜で埋める工程の後に、該層間絶縁膜に前記トレンチ底部の一部を露出する開口部を形成する工程と、前記開口部に金属プラグを埋める工程と、を備える製造方法とすることにより達成される。
According to the first aspect of the present invention, an insulated gate transistor in which a gate electrode film is formed on a sidewall of a trench formed in a semiconductor substrate via an insulating film, and an element on the semiconductor substrate In a method of manufacturing a semiconductor device including a capacitor including a first electrode film, a second electrode film, and a dielectric film sandwiched between the first electrode film and the second electrode film, which are sequentially stacked via an isolation region, The step of forming the trench, the step of forming the element isolation region apart from the trench, the step of forming the insulating film on the side wall of the trench, the surface of the semiconductor substrate and the inner surface of the trench, which are sequentially processed Forming a first electrode film forming conductive film on the first electrode film forming region; forming a mask on the first electrode film forming conductive film on the first electrode film forming region; and By anisotropic etching of the film, said forming a first electrode film and the gate electrode film, said to cover the semiconductor substrate surface and the surface of the gate electrode film on the side walls and bottom surface of said trench dielectric forming a body layer, and forming a second electrode film formation conductive film so as to cover the surface of the dielectric film on the side walls and bottom surface of the semiconductor substrate surface and the trench, wherein the second electrode film formed Forming a mask on the second electrode film forming region on the conductive film, forming a second electrode film by isotropically etching the second electrode film forming conductive film, and forming the trench The above object is achieved by a method for manufacturing a semiconductor device comprising a step of filling with an interlayer insulating film.
According to the present invention of
特許請求の範囲の請求項3記載の本発明によれば、前記第一電極膜と前記第二電極膜がポリシリコンを主要成分とする特許請求の範囲の請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法とすることが好ましい。
特許請求の範囲の請求項4記載の本発明によれば、前記等方性エッチングが気相エッチングである請求項1乃至3のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法とすることが望ましい。
According to the present invention as set forth in
According to the present invention as set forth in claim 4, it is preferable that the method for manufacturing a semiconductor device according to
本発明によれば、トレンチ型絶縁ゲート型トランジスタとキャパシタとを同一半導体基板上に備える半導体装置の製造方法において、絶縁ゲート型トランジスタの電気特性不良の発生を少なくすることのできる半導体装置の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, in a method of manufacturing a semiconductor device including a trench type insulated gate transistor and a capacitor on the same semiconductor substrate, the method of manufacturing a semiconductor device capable of reducing the occurrence of electrical characteristic defects of the insulated gate transistor. Can be provided.
以下、本発明にかかる一実施例について、図面を用いて詳細に説明する。以下の実施例ではトレンチ型絶縁ゲートトランジスタとして、TLPM/Dの場合について説明するが、TLPM/Sの場合についても同様に本発明にかかる半導体基板の製造方法により作ることができることは言うまでもない。本発明の要旨を超えない限り、本発明は以下説明する実施例の記載に限定されるものではない。 Hereinafter, an embodiment according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following embodiments, the case of TLPM / D will be described as a trench-type insulated gate transistor, but it goes without saying that the case of TLPM / S can be similarly produced by the method for manufacturing a semiconductor substrate according to the present invention. As long as the gist of the present invention is not exceeded, the present invention is not limited to the description of the examples described below.
図1は、この発明の半導体装置の製造方法により作られた半導体装置の一実施例を示すものであり、TLPMとキャパシタとが同一半導体基板上に形成されたことを示す模式的断面図である。図2、3、4は、それぞれ本発明にかかる前記図1に示す半導体装置を製造する際の各製造工程に対応する各半導体基板の模式的断面図である。図2、3は、前述した従来の製造工程にかかる図8、9にそれぞれ対応する。図2に至るまでの製造工程は、前述の図5〜図7における従来の製造工程とほぼ同じであるから、ここでは詳細な説明を省略する。
本発明にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図2において、P型Si基板1にPウェル層2、トレンチ3、Nドレイン層4およびLOCOS酸化膜6等を周知の技術により形成後、ゲート酸化膜7を熱酸化法により形成し、全面にポリシリコン膜(図示せず)をCVD法により成膜した後、その上にフォトレジスト膜(図示せず)を全面に塗布し、第一電極膜部分の上だけを残すようにフォトレジスト膜をパターニング(図示せず)し、このフォトレジスト膜をマスクとしてRIEなどの異方性エッチングによりポリシリコン膜をパターニング加工し、第一電極膜10とゲート電極膜9とを形成する。トレンチ3の側壁に形成されていたポリシリコン膜の表面には、前記フォトレジスト膜がマスクとして形成されていなくても、エッチングされずゲート電極膜9として残る。このように、マスクなしでもゲート電極がエッチングされずに残った理由は、異方性エッチングが用いられたため、トレンチ3の内面に形成されているポリシリコン膜は底部のみエッチングされ、側壁のポリシリコン膜はエッチングされず残るからである。次にイオン注入により、Nソース領域8を形成した後、キャパシタの誘電体膜に加工されることになるシリコン酸化膜(図示せず)を全面に形成する。このシリコン酸化膜のうち、第一電極膜10の上に形成された部分がキャパシタの誘電体膜11となる。次に、全面にポリシリコン膜を形成した後、フォトレジスト膜(図示せず)を全面に塗布し、第二電極膜12となる部分のみ残すようにフォトレジスト膜をパターニングし、このフォトレジスト膜をマスクとして、CDE(ケミカル ドライ エッチング)等の等方性エッチングによりポリシリコン膜をエッチングして第二電極膜12を形成する。
FIG. 1 shows an embodiment of a semiconductor device manufactured by the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, and is a schematic cross-sectional view showing that a TLPM and a capacitor are formed on the same semiconductor substrate. . 2, 3, and 4 are schematic cross-sectional views of each semiconductor substrate corresponding to each manufacturing process when manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 1 according to the present invention. 2 and 3 respectively correspond to FIGS. 8 and 9 relating to the above-described conventional manufacturing process. Since the manufacturing process up to FIG. 2 is almost the same as the conventional manufacturing process in FIGS. 5 to 7 described above, detailed description thereof is omitted here.
A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described. In FIG. 2, a
この際に本発明では前記第二電極膜12へのパターニング加工を従来とは異なり、RIEエッチング等の異方性エッチングではなく、等方性エッチングを用いる点に特長がある。この等方性エッチングにより、前記図10に示す従来の製造方法により得られる半導体装置のように、トレンチ内壁にポリシリコン膜62aが残ることが無くなる。このように、トレンチ内壁にポリシリコン膜62aが残らないので、このポリシリコン膜62aと、タングステンプラグ等の金属が埋め込まれた開口部17との絶縁不良を少なくすることができ、TLPMの電気不良を減らすことができるのである。前記等方性エッチングとしては、CF4+O2の混合ガスをプラズマ化した気体を利用したCDEや液相でのフッ硝酸系エッチングがあるが、制御の容易性や作業性の点から気相でのCDEが好ましい。次に、従来と同様にトレンチ3内を埋める層間絶縁膜5をCVD法により形成した後、層間絶縁膜5表面の凹凸を平坦化するために、CMP法により研磨する。TLPM領域13とキャパシタ領域14のそれぞれの各電極位置に対応するように、開口部15、16、17、18をフォトリソグラフ技術により形成し、前記開口部にTi−TiN膜などのバリアメタル19、20、21、22、タングステンなどの埋め込み金属プラグ23、24、25、26およびアルミニウム膜などの金属電極膜27、28、29、30をこの順に形成すると、図1に示す半導体装置が完成する。
At this time, the present invention is characterized in that isotropic etching is used instead of anisotropic etching such as RIE etching, unlike the conventional patterning process on the
前記タングステンプラグは次のようにして形成される。まず、前記Ti−TiN膜上に、六フッ化タングステンとモノシランを用いた還元反応によるタングステンの核生成後、六フッ化タングステンと水素を用いた還元反応により前記開口部15、16、17、18を埋めるの厚さ以上のタングステン膜を形成する。次にドライエッチングにより、前記開口部15、16、17、18以外のタングステン膜をエッチバックして除去して前記タングステンプラグを形成する。
The tungsten plug is formed as follows. First, after nucleation of tungsten by a reduction reaction using tungsten hexafluoride and monosilane on the Ti—TiN film, the
1 P型Si基板
2 Pウェル領域
4 Nドレイン領域
5 層間絶縁膜
6 LOCOS酸化膜(素子分離酸化膜)
7 ゲート酸化膜
8 Nソース領域
9 ゲート電極膜
10 第一電極膜
11 誘電体膜
12 第二電極膜
13 絶縁ゲート型トランジスタ領域、TLPM(トレンチ横型MOSFET)領域
14 キャパシタ領域。
1 P-type Si substrate 2 P well region 4
7 Gate oxide film 8
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