JP3531613B2 - トレンチゲート型半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
トレンチゲート型半導体装置及びその製造方法Info
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Description
トレンチゲートを形成する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。
れるMOSFETやIGBT等などの絶縁ゲート型の半
導体デバイスの製造には、基板面の面方位が(10
0)、かつオリエンテーションフラットの面方位が(1
10)であるシリコン基板が用いられていた。
埋め込まれるトレンチは、オリエンテーションフラット
に対して平行または垂直方向の側壁を持つように形成さ
れるため、その側壁面が(110)面となるが、(11
0)面での移動度が(100)面に比べて低いことか
ら、(110)面にチャネルを形成するとチャネル抵抗
が高くなって素子の低オン抵抗化に不利となる。
示されるように、面方位が(100)、かつオリエンテ
ーションフラットの面方位が(100)であるシリコン
基板を用い、トレンチゲートが埋め込まれるトレンチの
側壁面を移動度の高い(100)面にして、チャネル抵
抗を低減し、素子の低オン抵抗化を図っている。
シリコン酸化膜を成長させる際には、酸化膜の成長速度
に面方位依存性があることが一般に知られている。この
面方位依存性は図7のように表される。この図から分か
るように、(100)面は上述したように移動度が高く
なる反面、酸化速度が最も遅くなる。逆に、(111)
面や(110)面は、(100)面に比べて移動度が低
い反面、酸化速度が速くなる。
公報で示された面方位を成すトレンチ、チャネルが形成
される側壁および底部のすべてが(100)面となるこ
とから、トレンチ内の各面での移動度は高く、各面に形
成される酸化膜の成長速度は同じとなる。
膜の耐圧は、通常チャネルとして使用する側壁よりも底
部が高くなる方が耐圧設計の観点から好ましい。これ
は、底部においてゲート酸化膜の耐圧を向上させようと
すると、チャネルとして使用する側壁におけるゲート酸
化膜厚が大きくなって素子のオン抵抗を増大させてしま
うためである。
されるような面方位を設定すれば、酸化膜の成長速度の
面方位依存性から、チャネルとして使用する側壁と底部
のゲート酸化膜厚が等しくなって耐圧も高くなるため、
耐圧設計上好ましい形態になると言える。
高くするような場合、例えばトレンチ深さを15μm以
上とする場合には、熱酸化時にトレンチ底部まで十分に
酸化ガスが供給されず、図8(a)に示すゲート酸化膜
50の断面図のようにトレンチ51の入口近傍の厚み
a′より底部側での厚みb′が薄くなり、底面における
厚みc′が結局最も薄くなってしまう。特に、上記公報
で提案されているMOSトランジスタのように、基板の
深さ方向をチャネル長とする素子の場合、低オン抵抗化
を狙ってトレンチゲートの深さを深く、例えば15μm
以上に設定することから、トレンチゲート底部における
ゲート酸化膜の薄膜化が顕著となる。
(100)、かつオリエンテーションフラットの面方位
が(110)であるシリコン基板においてトレンチゲー
トを形成する場合には、図8(b)に示すゲート酸化膜
50の断面図に表されるように、トレンチ51の底面が
成長速度の遅い(100)面になるため、この場合にも
耐圧設計上好ましくない形態となる。
使用する側壁よりも底部の方がゲート酸化膜の耐圧を高
くしたトレンチゲート型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。
め、請求項1に記載の発明では、主表面(1a)及び該
主表面の反対面となる裏面(1b)を有し、半導体層
(3〜5)が形成されたシリコン基板(1)と、半導体
層に形成され、少なくとも2組の相対する側壁を有する
ように構成された第1のトレンチ(6)と、第1のトレ
ンチ内壁を熱酸化することによって形成されたゲート酸
化膜(7)と、ゲート酸化膜上において、第1のトレン
チ内を埋め込むように形成されたゲート電極(8)とを
有し、第1のトレンチの少なくとも2組の側壁のうちの
一方にチャネルを形成するように構成された第1のトレ
ンチゲート型の半導体装置において、シリコン基板の主
表面の面方位が(110)面を成し、チャネルが形成さ
れる第1のトレンチの側壁が(100)面で構成されて
いることを特徴とする。
のうちチャネルが形成される部分となる面方位(10
0)の側壁よりも、その他の側壁や底面の方がゲート酸
化膜の膜厚が厚くなる。このため、高い移動度のチャネ
ルを形成できると共に、ゲート酸化膜の部分的な薄膜化
による耐圧低下も防止することができる。
とは異なる側壁の面方位は、例えば請求項2に示すよう
に(110)面とされる。このような面方位であれば、
チャネルが形成される部分となる面方位(100)より
もゲート酸化膜の成長速度を大きくすることができる。
この場合、請求項3に示すように、シリコン基板に面方
位が(100)または(110)のオリエンテーション
フラットを形成することで、オリエンテーションフラッ
トの面方位がトレンチの側壁の面方位と垂直又は平行と
なるため、トレンチ形成時のマスク合わせを容易に行う
ことができる。
る側壁とは異なる側壁の面方位は、例えば請求項4に示
すように(111)面とされる。このような面方位であ
っても請求項2と同様の効果を得ることができる。さら
にこの場合、請求項5に示すように、第1のトレンチを
3組の相対する側壁で構成し、そのうちの1組を(10
0)面で構成し、残りの2組を(111)面するように
してもよい。このようにトレンチを略六角形状にすれ
ば、トレンチの各角部が鈍角になるため、各角部での電
界集中を防止することができる。
6に示すように。シリコン基板に面方位が(100)、
(111)、(110)、(112)いずれかのオリエ
ンテーションフラットを形成することで、請求項3と同
様の効果を得ることができる。
第1のトレンチが高アスペクト比とされるような場合、
例えば、請求項7に示すように第1のトレンチの深さが
15μm以上とされるような場合に適用すると好適であ
る。
シリコン基板に形成した第2のトレンチ(2)内にエピ
タキシャル成長させた第1導電型のドリフト領域
(3)、第2導電型のベース領域(4)および第1導電
型のソース領域(5)とを有して構成され、第1のトレ
ンチは、少なくともドリフト領域とソース領域との間に
配置されたベース領域のうち、シリコン基板の厚み方向
がチャネル幅方向となるように、ソース領域からベース
領域を貫通してドリフト領域に達するように形成されて
いることを特徴としている。このように、チャネル幅方
向がシリコン基板の厚み方向とされるようなトレンチゲ
ート型半導体装置に本発明を提供することができる。
(1)として、基板面方位が(110)を成すものを用
意する工程と、シリコン基板に対し、少なくとも2組の
相対する側壁のうちの1組の面方位を(100)として
第1のトレンチ(6)を形成する工程と、第1のトレン
チの内壁を熱酸化することでゲート酸化膜(7)を形成
する工程とを有していることを特徴としている。
(110)にすると共に、第1のトレンチのうちチャネ
ルが形成される部分の面方位を(100)とすれば、ト
レンチのうちチャネルが形成される部分の側壁よりも、
その他の側壁や底面の方がゲート酸化膜の膜厚が厚くな
る。このため、高い移動度のチャネルを形成できると共
に、ゲート酸化膜の部分的な薄膜化による耐圧低下も防
止することができる。
うに、トレンチのうちチャネルが形成される側壁とは異
なる側壁の面方位を(110)面や(111)面とする
ことができる。これらの面方位とすれば、チャネルが形
成される部分となる面方位(100)よりもゲート酸化
膜の成長速度を大きくすることができる。
板に第2のトレンチ(2)を形成する工程と、第2のト
レンチ内に第1導電型のドリフト領域(3)、第2導電
型のベース領域(4)、および第1導電型のソース領域
(5)を順にエピタキシャル成長させることで、該第2
のトレンチを埋め戻し、ドリフト領域、ベース領域およ
びソース領域によって半導体層を形成する工程と、少な
くともドリフト領域とソース領域との間に配置されたベ
ース領域のうち、シリコン基板の深さ方向がチャネル幅
方向となるように、ソース領域からベース領域を貫通し
てドリフト領域に達するように第1のトレンチを形成す
る工程とを有していることを特徴としている。
導体装置、つまりチャネル幅方向がシリコン基板の厚み
方向とされるようなトレンチゲート型半導体装置に本発
明を提供することができる。
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。
形態が適用されて形成されたトレンチゲート型のパワー
MOSFETの上面図を図1に示し、図1に示す一点鎖
線部における断面構成を図2に示す。これらの図に基づ
いて本実施形態におけるパワーMOSFETの製造方法
を説明する。
ーMOSFETは、基板面方位が(110)を成し、
(110)面のオリエンテーションフラットが備えられ
たシリコン基板1に形成されている。以下、このn+型
のシリコン基板1をn+型基板といい、このn+型基板の
一面側を主表面1a、その反対面を裏面1bという。
すX方向がn+型基板1の厚み方向(主表面1a及び裏
面1bに対して垂直な方向)に対応しており、Y方向及
びZ方向がn+型基板1の主表面1a及び裏面1bと平
行な方向に対応している。なお、図のX方向、Y方向、
Z方向はそれぞれが互いに垂直を成している。
でトレンチ2が形成されており、このトレンチ内にn-
型ドリフト層3が埋め込まれている。また、n-型ドリ
フト層3内の所定領域には、n+型基板1の主表面1a
から所定深さまでp型ベース領域(p型ウェル領域)4
が形成されている。このp型ベース領域4の深さは例え
ば15μm以上とされるが、若干n-型ドリフト層3よ
りも浅くされている。
型基板1の主表面1aからp型ベース領域4よりも接合
深さが浅い位置までn+型ソース領域5が形成されてい
る。このn+型ソース領域5の深さは15μm以上とさ
れるが、若干p型ベース領域4よりも浅くされている。
直に、つまりX方向に略平行にトレンチ6が掘られてい
る。このトレンチ6は、上面から見ると略長方形状を成
しており、2組の相対する側壁の一方の組が(100)
面、もう一方の組が(110)面を成し、底面が(11
0)面を成している。そして、このトレンチ6は、n +
型基板1の主表面1aと平行をなすY方向及びトレンチ
5の深さ方向と平行をなすX方向の両方向において、n
+型ソース領域5からp型ベース領域4を貫通するよう
に形成されている。
ゲート酸化膜7が形成されている。図3(a)、(b)
は、それぞれ図1のA−A断面及びB−B断面を示して
おり、トレンチ6の側壁および底面におけるゲート酸化
膜7の厚みを詳細に示したものである。これらの図に示
されるように、ゲート酸化膜7は、(110)面を成し
たトレンチ側壁およびトレンチ底面上に形成された部分
の厚みbが(100)面を成したトレンチ側壁上に形成
された部分の厚みaよりも厚く構成されている。このゲ
ート酸化膜7上にはゲート電極8が形成されており、ゲ
ート酸化膜7及びゲート電極8によってトレンチ6の内
部が埋め込まれた構成となっている。なお、これらのゲ
ート電極構造は、図1及び図2においては2つしか表わ
されていないが、実際には図2中Z方向に複数個形成さ
れている。
ゲート電極に接続されるゲート配線やn+型ソース領域
5およびp型ベース領域4に接続されるソース電極が形
成され、裏面1b側に、ドレイン領域となるn+型基板
1に接続されるドレイン電極が形成されている。このよ
うにして本実施形態におけるパワーMOSFETが構成
されている。
ゲート電極8に所望の電圧が印加されると、p型ベース
領域4のうちゲート酸化膜7に接する部分、つまりp型
ベース領域4のうちトレンチ6の側壁を構成する部分に
チャネルが形成され、このチャネルおよびn-型ドリフ
ト層3を介してn+型ソース領域4とドレイン領域(n +
型基板1)との間で電流を流すようになっている。
壁のうちチャネルが形成される部分の面方位を(10
0)としているため、高い移動度を確保することができ
る。このため、パワーMOSFETのオン抵抗の低減を
図ることが可能となる。
成すトレンチ側壁上に形成された部分が(110)面を
成すトレンチ側壁及びトレンチ底面上に形成された部分
よりも薄くなるように構成してあり、チャネル形成に使
用される部分よりも薄くなる箇所が存在しないように構
成されている。このため、ゲート酸化膜7の部分的な薄
膜化による耐圧低下も防止することができる。
することで、パワーMOSFETの低オン抵抗化と高耐
圧とを両立することが可能となる。
ETの製造方法の一例を説明する。まず、基板面方位が
(110)を成し、(110)面のオリエンテーション
フラットが備えられたn+型基板1を用意する。そし
て、n+型基板1に対してトレンチ2を形成したのち、
n+型基板1の主表面1a側に形成したトレンチ2内が
埋め込まれるようにn-型ドリフト層3となるn-型層、
p型ベース領域4となるp型層およびn+型ソース領域
5となるn+型層を順にエピタキシャル成長させる。
するまでn-型層、p型層およびn+型層をエッチバック
したのち、主表面1a側からTMAHによるウェットエ
ッチングによりトレンチ6を形成する。具体的には、2
組の相対するトレンチ側壁の一方の組が(100)面、
もう一方の組が(110)面を成すようにマスク合わせ
してトレンチ6の形成を行う。これにより、トレンチ6
は、側壁が主表面1aに対して垂直を成すように形成さ
れ、側壁が上記面方位を成し、底面が主表面1aと同じ
(110)面を成すように形成される。
は、n+型基板1に形成されたオリエンテーションフラ
ットが(110)面を成していることから、この部分に
対して垂直もしくは平行を成すようにマスク合わせをす
ればよいため、マスク合わせを容易に行うことができ
る。
ト酸化膜7を形成する。このとき、トレンチ6のうちチ
ャネルが形成される部分となる側壁の面方位が(10
0)とされ、その他の側壁及び底面の面方位が(11
0)とされているため、図3(a)、(b)に示される
ように、チャネルが形成される部分となる側壁よりもそ
の他の側壁及び底面の方がゲート酸化膜7の成長速度が
早くなり厚く形成される。またこのときにもトレンチ6
が高アスペクト比になるとトレンチ底面まで酸化ガスの
供給が十分に成されなくなると言えるが、酸化ガスの供
給量が少なくても元々の酸化膜成長速度の面方位依存性
から、十分にチャネルが形成される部分となる側壁より
もその他の側壁及び底面の方が形成されるゲート酸化膜
7の厚さが厚くなる。
ン層を成膜したのち、ポリシリコン層をパターニングす
ることでゲート電極8を形成し、さらに、主表面1a側
にソース電極を形成すると共に、裏面1b側にドレイン
電極を形成することで、パワーMOSFETが製造され
る。
0)を成すn+型基板1を用意し、トレンチ6のうちチ
ャネルが形成される側壁が(100)面にすると共に、
他の側壁が(110)面となるようにすることで、ゲー
ト酸化膜7の膜厚を上記関係とすることができる。
きると共に、ゲート酸化膜7の部分的な薄膜化による耐
圧低下も防止することができる。これにより、パワーM
OSFETの低オン抵抗化と高耐圧とを両立することが
可能となる。
ーMOSFETの上面図を図4に示し、図4のC−C断
面およびD−D断面を図5(a)、(b)のそれぞれに
示す。なお、本実施形態においては、n+型基板1に形
成したオリエンテーションフラットの面方位およびトレ
ンチ6のレイアウト構成のみが第1実施形態と異なり、
パワーMOSFETの基本構成は同様であるため、第1
実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
ンフラットの面方位を(110)としているが、本実施
形態ではオリエンテーションフラットの面方位を(11
1)としている。ただし、n+型基板1の基板面方位に
関しては、第1実施形態と同様(110)面としてい
る。そして、第1実施形態では、トレンチ6の側壁が
(100)面と(110)面を成すようにしてトレンチ
6の上面形状が略長方形となるようにしているが、本実
施形態では、トレンチ6の側壁が(100)面と(11
1)面を成すようにしてトレンチ6の上面形状が略平行
四辺形となるようにしている。そして、トレンチ6のう
ち(100)面となる側壁にチャネルが形成される構成
としている。
レンチ6の内壁に形成されるゲート酸化膜7の成長速度
は、トレンチ6のうちチャネルが形成される側壁よりも
その他の側壁及び底面の方が早くなる。このため、図5
(a)、(b)に示されるように、ゲート酸化膜7は、
トレンチ6のうち(100)面となる側壁上の厚みaよ
りも、(110)面となる底面上の厚みbや(111)
面となる側壁上の厚みcの方が十分に厚くなる。
(100)面と(111)面となるようにしても、第1
実施形態と同様にチャネルの高い移動度を確保できると
共に、ゲート酸化膜7の部分的な薄膜化による耐圧低下
も防止することができる。これにより、パワーMOSF
ETの低オン抵抗化と高耐圧とを両立することが可能と
なる。
11)面とすることで、トレンチ6のマスク合わせの際
にオリエンテーションフラットを基準とすれば良いた
め、容易にマスク合わせを行うことができる。
ーMOSFETの上面図を図6に示す。本実施形態は、
トレンチ6のレイアウト構成のみを第2実施形態と異な
らせたものである。
を(100)面と(111)面とし、トレンチ6の上面
形状が略平行四辺形となるようにしているが、本実施形
態では、上面形状が六角形となるようにし、3組の相対
する側壁のうち1組を(100)面、残り2組を(11
1)面としている。
ト酸化膜7の膜厚の関係は第2実施形態と同様である
が、第2実施形態に示した略平行四辺形を成すトレンチ
6の鋭角部分が図5中に示すような鈍角となる。このた
め、トレンチ6を鋭角にした場合に発生しうる電界集中
を防止することも可能となる。これにより、よりゲート
酸化膜7の耐圧低下を防止することができる。
形態では、n+型基板1の基板面方位とトレンチ6のう
ちチャネルが形成される側壁の面方位以外の構成につい
ても具体的に説明してあるが、少なくともn+型基板1
の基板面方位とトレンチ6のうちチャネルが形成される
側壁の面方位が上記関係となっていれば、パワーMOS
FETの低オン抵抗化と高耐圧とを両立することが可能
となる。
ト型の半導体装置としてチャネルが深さ方向に形成され
るパワーMOSFETを例に挙げて説明したが、図1の
n+型基板1をp+型に変更することで構成されるIGB
T、溝ゲートの縦型パワーMOSFETやIGBT等に
適用することも可能である。
エンテーションフラットの面方位を(111)としてい
るが、トレンチ6の各辺に対して平行もしくは垂直にな
る面方位であれば、どのような面方位であっても良い。
具体的には、(111)の他に、(100)、(11
0)、(112)を選択することができる。
ETの上面図である。
す図である。
7の断面構成を示す図であり、(a)は図1のA−A断
面図、(b)は図1のB−B断面図である。
ETの上面図である。
7の断面構成を示す図である。
ETの上面図である。
図である。
化膜50の断面構成を示す図である。
領域、5…n+型ソース領域、6…トレンチ、7…ゲー
ト酸化膜、8…ゲート電極。
Claims (13)
- 【請求項1】 主表面(1a)及び該主表面の反対面と
なる裏面(1b)を有し、前記半導体層(3〜5)が形
成されたシリコン基板(1)と、 前記半導体層に形成され、少なくとも2組の相対する側
壁を有するように構成された第1のトレンチ(6)と、 前記第1のトレンチ内壁を熱酸化することによって形成
されたゲート酸化膜(7)と、 前記ゲート酸化膜上において、前記第1のトレンチ内を
埋め込むように形成されたゲート電極(8)とを有し、 前記第1のトレンチの少なくとも2組の側壁のうちの一
方にチャネルを形成するように構成された第1のトレン
チゲート型の半導体装置において、 前記シリコン基板の前記主表面の面方位が(110)面
を成し、前記チャネルが形成される前記第1のトレンチ
の側壁が(100)面で構成されていることを特徴とす
るトレンチゲート型半導体装置。 - 【請求項2】 前記第1のトレンチの少なくとも2組の
側壁のうち、前記チャネルが形成される側とは異なる側
は(110)面で構成されていることを特徴とする請求
項1に記載のトレンチゲート型半導体装置。 - 【請求項3】 前記シリコン基板にはオリエンテーショ
ンフラットが形成され、該オリエンテーションフラット
の面方位が(100)または(110)とされているこ
と特徴とする請求項1又は2に記載のトレンチゲート型
半導体装置。 - 【請求項4】 前記第1のトレンチの少なくとも2組の
側壁のうち、前記チャネルが形成される側とは異なる側
は(111)面で構成されていることを特徴とする請求
項1に記載のトレンチゲート型半導体装置。 - 【請求項5】 前記第1のトレンチは、3組の相対する
側壁を有して構成され、そのうちの1組が(100)面
で構成され、残りの2組が(111)面で構成されてい
ることを特徴とする請求項4に記載のトレンチゲート型
半導体装置。 - 【請求項6】 前記シリコン基板にはオリエンテーショ
ンフラットが形成され、該オリエンテーションフラット
の面方位が(100)、(111)、(110)、(1
12)のいずれかとされていること特徴とする請求項4
又は5に記載のトレンチゲート型半導体装置。 - 【請求項7】 前記第1のトレンチの深さが15μm以
上となっていることを特徴とする請求項1ないし6のい
ずれか1つに記載のトレンチゲート型半導体装置。 - 【請求項8】 前記半導体層は、前記シリコン基板に形
成した第2のトレンチ(2)内にエピタキシャル成長さ
せた第1導電型のドリフト領域(3)、第2導電型のベ
ース領域(4)および第1導電型のソース領域(5)と
を有して構成され、 前記第1のトレンチは、少なくとも前記ドリフト領域と
前記ソース領域との間に配置された前記ベース領域のう
ち、前記シリコン基板の深さ方向がチャネル幅方向とな
るように、前記ソース領域から前記ベース領域を貫通し
て前記ドリフト領域に達するように形成されていること
を特徴とする請求項1ないし7のいずれか1つに記載の
トレンチゲート型半導体装置。 - 【請求項9】 主表面(1a)及び該主表面の反対面と
なる裏面(1b)を有し、前記半導体層(3〜5)が形
成されたシリコン基板(1)と、 前記半導体層に形成され、少なくとも2組の相対する側
壁を有するように構成された第1のトレンチ(6)と、 前記第1のトレンチ内壁に形成されたゲート酸化膜
(7)と、 前記ゲート酸化膜上において、前記第1のトレンチ内を
埋め込むように形成されたゲート電極(8)とを有し、 前記第1のトレンチの少なくとも2組の側壁のうちの一
方にチャネルを形成するように構成された第1のトレン
チゲート型の半導体装置の製造方法において、 前記シリコン基板として、基板面方位が(110)を成
すものを用意する工程と、 前記シリコン基板に対し、少なくとも2組の相対する側
壁のうちの1組の面方位を(100)として前記第1の
トレンチ(6)を形成する工程と、 前記第1のトレンチの内壁を熱酸化することでゲート酸
化膜(7)を形成する工程とを有していることを特徴と
するトレンチゲート型半導体装置の製造方法。 - 【請求項10】 前記第1のトレンチを形成する工程で
は、前記前記第1のトレンチの少なくとも2組の側壁の
うち、前記チャネルが形成される側とは異なる側を(1
10)面とすることを特徴とする請求項9に記載のトレ
ンチゲート型半導体装置の製造方法。 - 【請求項11】 前記第1のトレンチを形成する工程で
は、前記前記第1のトレンチの少なくとも2組の側壁の
うち、前記チャネルが形成される側とは異なる側を(1
11)面とすることを特徴とする請求項9に記載のトレ
ンチゲート型半導体装置の製造方法。 - 【請求項12】 前記第1のトレンチを形成する工程で
は、3組の相対する側壁を有して前記第1のトレンチを
形成し、そのうちの1組を(100)面で構成し、残り
の2組を(111)面で構成することを特徴とする請求
項9に記載のトレンチゲート型半導体装置の製造方法。 - 【請求項13】 シリコン基板に第2のトレンチ(2)
を形成する工程と、 前記第2のトレンチ内に第1導電型のドリフト領域
(3)、第2導電型のベース領域(4)、および第1導
電型のソース領域(5)を順にエピタキシャル成長させ
ることで、該第2のトレンチを埋め戻し、前記ドリフト
領域、ベース領域およびソース領域によって前記半導体
層を形成する工程と、 少なくとも前記ドリフト領域と前記ソース領域との間に
配置された前記ベース領域のうち、前記シリコン基板の
深さ方向がチャネル幅方向となるように、前記ソース領
域から前記ベース領域を貫通して前記ドリフト領域に達
するように前記第1のトレンチを形成する工程と、を有
していることを特徴とする請求項9ないし12のいずれ
か1つに記載のトレンチゲート型半導体装置の製造方
法。
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