DE19807745B4

DE19807745B4 - Halbleitereinrichtung und Herstellungsverfahren einer Halbleitereinrichtung

Info

Publication number: DE19807745B4
Application number: DE19807745A
Authority: DE
Inventors: Katsumi Nakamura
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1997-07-11
Filing date: 1998-02-24
Publication date: 2011-08-11
Anticipated expiration: 2018-02-25
Also published as: JPH1131815A; CN1881612A; CN1881612B; US6538280B2; DE19807745A1; CN1881546A; CN100350626C; CN1607678A; CN1199284C; CN1881611A; US20010042885A1; CN1205554A; CN1881611B; KR19990013329A; JP3976374B2; CN100501943C

Abstract

Halbleitereinrichtung mit einem Halbleitersubstrat (30) und einem MOS-Gateaufbau mit zumindest einem Graben (7) in einer Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates (30), einem Isolierfilm (11), der an der Wand des Grabens (7) gebildet ist und sich auf die Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates (30) erstreckt, und einem leitenden Teil (12), das den Graben (7) füllt und sich auf den Isolierfilm (11) auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates (30) erstreckt, wobei die Grabenseitenwand des Halbleitersubstrates (30) als ein Kanal dient, der Isolierfilm (11) als ein Gateisolierfilm dient und das leitende Teil (12) als ein Gate dient, wobei eine Kondensatorfläche des Abschnittes des Isolierfilmes (11), der auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates (30) liegt, 50% oder mehr einer gesamten Kondensatorfläche des Isolierfilmes (11) beträgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitereinrichtung und ein Herstellungsverfahren einer Halbleitereinrichtung.
Speziell betrifft sie eine Halbleitereinrichtung, die eine Grabenstruktur als ein MOS-Gate verwendet, und ein Herstellungsverfahren einer solchen Halbleitereinrichtung. Spezieller betrifft sie eine Halbleitereinrichtung, die mit einem Gateoxidfilm vorgesehen ist, der auf den Wänden von Gräben gebildet ist, und verbesserte Eigenschaften aufweist, und ein Herstellungsverfahren einer solchen Halbleitereinrichtung.
JP 08-306914 A beschreibt einen Leistungs-MOSFET mit Grabenaufbau mit erhöhter Spannungsfestigkeit. Insbesondere ist die Dicke eines Gateoxidfilms am Boden des Grabens erhöht zur Erniedrigung der Kapazität zwischen einer Gateelektrode und dem darunter liegenden Halbleitersubstrat.
US 5 623 152 A beschreibt eine Halbleitervorrichtung, die ein Grabengate und einen Emittergraben aufweist. Der Emittergraben ist teilweise mit einem Siliziumoxid ausgefüllt zum Ausbilden einer Kapazität zwischen dem Emitter und dem unter dem Graben befindlichen Haibleitersubstrat.
US 5 541 425 A beschreibt eine Halbleiterstruktur mit einem Grabenaufbau. Der Graben ist auf einer Hauptoberfläche eines p+ – Siliziumsubstrats ausgebildet. Eine Siliziumoxidschicht bedeckt die Innenwände des Grabens. Insbesondere ist die Dicke eines Eckabschnitts der Siliziumoxidschicht am oberen Ende der Seitenwand des Grabens größer. Wenn der Graben mit Polysilizium ausgefüllt wird, welches sich auf die Hauptoberfläche des Siliziumsubstrats erstreckt, wird durch die partiell dickere Oxidschicht die Spannungsfestigkeit des Bauelements erhöht.
US 5 592 005 A beschreibt einen Feldeffekttransistor mit Grabenaufbau. Zwischen der Source und der Drain gibt es einen Barrierenbereich, der durch ein Gate gesteuert wird. Die in einem Graben angeordnete Gateelektrode erstreckt sich bis in den oberen Abschnitt der Drainregion, welche das Substrat bildet.
US 5 298 781 A beschreibt einen vertikalen Feldeffekttransistor. Insbesondere ist ein Polysilizium-Gate in einem Graben angeordnet, welcher sich bis in die als Substrat dienende Drainregion erstreckt. Insbesondere ist die Gateisolierung zur Drainregion hin dicker zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit.
US 5 162 707 A beschreibt einen Transistor mit verbessertem Verhalten bezüglich heißer Ladungsträger. Hierzu wird unter einem schrägen Winkel der dielektrische Bereich über den Drain- und Sourceregionen des Transistors mit Stickstoff implantiert.
US 5 321 289 A beschreibt einen vertikalen MOSFET mit Grabengateaufbau. Insbesondere weist die Gateisolationsschicht einen mehrlagigen Aufbau auf. Des Weiteren wird an der oberen Ecke des Grabens eine Durchbruchsfeldstärke zwischen 2,5 MV/cm und 5,0 MV/cm dadurch eingestellt, dass die Dicke der Gateisolationsschicht erhöht wird und der Krümmungsradius der oberen Ecke des Grabens vergrößert wird.
EP 0 527 600 A1 beschreibt einen Bipolartransistor mit isoliertem Grabengate. In einer n-Typ-Basisschicht, welche den oberen Bereich eines Substrats bildet, ist eine Reihe von Grabengates mit konstantem Abstand ausgebildet. Insbesondere sind die Gateelektroden in den Gräben vollständig von der Gateisolationsschicht umgeben.
16 ist eine beispielhafte Figur eines Aufbaus einer der Anmelderin bekannten Leistungseinrichtung, die einen Graben als ein MOS-Gate verwendet, wie z. B. ein IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate). 16(a) ist eine typische Ansicht von Gräben, 16(b) ist eine Querschnittsansicht der Leistungseinrichtung entlang der Linie A-A', die mit der longitudinalen Achse des Grabens in 16(a) ausgerichtet ist, und 16(c) ist eine Querschnittsansicht der Leistungseinrichtung entlang einer Linie B-B', die sich über die Graben in 16(a) erstreckt.
In 16 sind eine n^–-Diffusionsschicht 1, eine n-Diffussionsschicht 2, eine stark dotierte p⁺-Diffusionsschicht 3, eine p-Basisschicht 4, eine n⁺-Emitterdiffusionsschicht 5, Gräben 7, ein Gateisolierfilm 11, ein Gate 12, ein Siliziumdioxidfilm 15, Zwischenschichtisolierfilme 16 und 17, ein p⁺-Bereich 18, eine Silizidschicht 19, eine Barrierenmetallschicht 20 und eine Aluminiumschicht 21 gezeigt. In diesem der Anmelderin bekannten vergrabenen MOS-Gateaufbau, liegt die Oberfläche des Gates 12 unterhalb einer Ebene, die die Oberfläche eines Siliziumwafers enthält, d. h. unterhalb einer Ebene, die die oberen Enden der Gräben enthält.
17 zeigt zum Vergleich ein der Anmelderin bekanntes ebenes MOS-Gate, bei dem zu den in 16 ähnliche oder entsprechende Teile durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind und die Beschreibung davon ausgelassen wird.
18–20 sind beispielhafte Figuren der Schritte der Herstellung einer der Anmelderin bekannten Leistungseinrichtung, die einen Graben als MOS-Gate verwendet, wie z. B. IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate).
Das Verfahren wird im folgenden beschrieben. Wie in 18(a) gezeigt ist, werden ein n-Bereich 2 und ein p⁺-Bereich 3 auf der unteren Oberfläche eines n^–-Bereiches 1 eines Halbleitersubstrates 30, wie z. B. ein Siliziumsubstrat, gebildet und ein dotierter p-Bereich 4 wird auf der oberen Oberfläche des n^–-Bereiches 1 gebildet. Ein stark dotierter n⁺-Bereich 5 wird selektiv in Abschnitten des dotierten p-Bereiches 4 gebildet. Gräben 7 werden durch den dotierten p-Bereich 4 und die n⁺-Bereiche 5 gebildet. Dann werden die Wände und oberen Enden der Gräben 7 geglättet.
Wie in 18(b) gezeigt ist, wird ein Gateisolierfilm 11 aus Siliziumdioxid derart gebildet, daß die Wände der Gräben 7 und die Oberfläche des Wafers 30 bedeckt werden. Der Gateisolierfilm 11 ist ein Siliziumdioxidfilm.
Wie in 18(c) gezeigt ist, wird ein Polysiliziumfilm mit niedrigem Widerstand zum Bilden der Gateelektroden 12 über der gesamten Oberfläche des Wafers 30 derart abgeschieden, daß die Gräben 7 aufgefüllt werden.
Dann wird, wie in 18(d) gezeigt ist, der Polysiliziumfilm derart bemustert, daß die Gateelektroden 12 gebildet werden. Ein Siliziumdioxidfilm 15 wird auf den Gateelektroden 12 gebildet, wie in 19(a) gezeigt ist.
Dann werden, wie in 19(b) gezeigt ist, CVD-Filme 16 und 17 durch CVD derart abgeschieden, daß ein Zwischenschichtisolierfilm über der gesamten Oberfläche des Wafers 30 gebildet wird.
Dann werden die Oxidfilme 16 und 17 derart geätzt, daß die vergrabenen MOS-Gates gebildet werden, wie in 19(c) gezeigt ist.
Dann werden, wie in 20 gezeigt ist, eine Silizidschicht 19, eine Barrierenmetallschicht 20 und eine Aluminiumschicht 21 durch Sputtern und Lampenerwärmen gebildet und eine Elektrode 22 wird zum Fertigstellen des vergrabenen IGBT gebildet.
Bei der der Anmelderin bekannten Einrichtung des Aufbaus, der in 16 gezeigt ist, die so hergestellt ist, wird ein Vorsprung entlang eines Si/SiO2-Übergangs in einem Bereich C, der in 16(b) gezeigt ist, gebildet. Die Dicke der Abschnitte des Gateisolierfilmes 11 in dem Bereich C und einem Bereich D wird reduziert, was die Eigenschaften und Zuverlässigkeit des Gateisolierfilmes 11, der auf den Wänden der Gräben 7 gebildet ist, verschlechtert.
Da die n⁺-Emitterschicht 5 und die p-Basisschicht 4 an den Seitenwänden der Gräben 7 freigelegt sind, diffundieren die Dotierungen der Diffussionsschichten in den Gateisolierfilmen 11, wenn der Gateisolierfilm 11 in dem Prozeß von 18(b) gebildet wird. Folglich werden die Eigenschaften und die Zuverlässigkeit des Gateisolierfilmes 11 verschlechtert.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleitereinrichtung, wie z. B. eine Leistungseinrichtung, die einen Graben als ein MOS-Gate verwendet, mit einem Einrichtungsaufbau, der in der Lage ist, die Eigenschaften eines Isolierfilmes, wie z. B. eines Gateoxidfilmes, der auf den Wänden der Gräben gebildet ist, zu verbessern, und ein Herstellungsverfahren einer solchen Halbleitereinrichtung vorzusehen.
Die Aufgabe wird durch die Halbleitereinrichtung des Anspruches 1 oder 2 oder durch das Herstellungsverfahren einer Halbleitereinrichtung des Anspruches 9 oder 10 gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von erläuternden Ausführungsformen anhand der Figuren, wobei die gleichen Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Teile bezeichnen.
1–6 zeigen einen Aufbau einer vergrabenen Halbleitereinrichtung und ein Herstellungsverfahren derselben in einer ersten Ausführungsform,
7–9 zeigen ein Herstellungsverfahren einer vergrabenen Halbleitereinrichtung und den Aufbau davon in einer zweiten Ausführungsform,
10(a) und 10(b) zeigen einen Aufbau einer Halbleitereinrichtung in einer dritten Ausführungsform,
11 und 12 zeigen den Betrieb der Halbleitereinrichtung in der dritten Ausführungsform,
13 und 14 zeigen ein Herstellungsverfahren einer vergrabenen Halbleitereinrichtung und den Aufbau davon in einer vierten Ausführungsform,
15(a) ist eine Querschnittsansicht eines vergrabenen MOSFET, der den vergrabenen MOS-Gateaufbau verwendet,
15(b) ist eine Querschnittsansicht eines IGBT, der den vergrabenen MOS-Gateaufbau verwendet,
15(c) ist ein Teil einer Querschnittsansicht eines anderen IGBT, der den vergrabenen MOS-Gateaufbau verwendet,
16(a)–16(c) zeigen einen Aufbau einer der Anmelderin bekannten Leistungseinrichtung, die einen Graben als MOS-Gate verwendet,
17 zeigt einen Aufbau eines der Anmelderin bekannten ebenen MOS-Gates und
18–20 zeigen die Herstellungsschritte einer der Anmelderin bekannten Leistungseinrichtung, die einen Graben als ein MOS-Gate verwendet.
Erste Ausführungsform
1–6 sind Ansichten zum Unterstützen der Erläuterung des Aufbaus einer Halbleitereinrichtung mit Grabenstruktur und eines Herstellungsverfahrens der gleichen Halbleitereinrichtung mit Grabenstruktur in einer ersten Ausführungsform. In der folgenden Beschreibung soll die Halbleitereinrichtung ein IGBT mit einem vergrabenen MOS-Gate sein.
Zuerst wird das Herstellungsverfahren des IGBT beschrieben und dann wird der Aufbau des IGBT beschrieben.
1(a)–6(b) sind Querschnittsansichten eines Werkstücks in verschiedenen Schritten eines Herstellungsverfahrens einer Halbleitereinrichtung, die der Querschnittsansicht entlang der Linie B-B' in 16(a), die die Gräben einer der Anmelderin bekannten Halbleitereinrichtung in einer Draufsicht zeigt, entsprechen. 2(a) zeigt einen Schritt, der nach dem in 1(d) gezeigten Schritt folgt. 3(a) zeigt einen Schritt, der nach dem in 2(d) gezeigten Schritt folgt. 4(a) zeigt einen Schritt, der nach dem in 3(d) gezeigten Schritt folgt. 5(a) zeigt einen Schritt, der nach dem in 4(d) gezeigten Schritt folgt. 6(a) zeigt einen Schritt, der nach dem in 5(b) gezeigten Schritt folgt.
Mit Bezug zu 1(a) weist ein Halbleitersubstrat 30 eine schwach dotierte n^–-Diffusionsschicht 1 (Dotierungskonzentration: 1 × 10¹² bis 1 × 10¹⁴ Atome/cm³, Tiefe der Diffusion: 40–600 μm), eine n-Diffusionsschicht 2 (Spitzendotierungskonzentration: 1 × 10¹⁸ Atome/cm³ oder niedriger, Diffusionstiefe: 400 μm oder niedriger und nicht kleiner als die Diffusionstiefe einer stark dotierten p⁺-Diffusionsschicht 3), und die stark dotiert p⁺-Diffusionsschicht 3 (Oberflächendotierungskonzentration: 2 × 10¹⁸ Atome/cm³ oder mehr, Diffusionstiefe: 1 μm oder mehr und nicht größer als die Diffusionstiefe der n-Diffusionsschicht 2) auf. Die Diffusionsschichten 1, 2 und 3 können beispielsweise durch Implantation, Diffusion oder epitaktisches Wachsen gebildet werden.
Mit Bezug zu 1(b) wird eine p-Basisschicht 4 (Spitzendotierungskonzentration: 1 × 10¹⁵ bis 1 × 10¹⁸ Atome/cm³, Diffusionstiefe: 1 bis 4 μm und kleiner als die Tiefe von Gräben) durch Diffusion in die Oberfläche des Wafers 30, d. h. in die schwach dotierte n^–-Diffusionsschicht 1, gebildet.
Dann wird, wie in 1(c) gezeigt ist, eine diffundierte n⁺-Emitterschicht 5 (Oberflächendotierungskonzentration: 1 × 10¹⁸ bis 5 × 10²⁰ Atome/cm³, Diffusionstiefe: 0,3 bis 2 μm) gebildet. Das Bezugszeichen 30, das das Halbleitersubstrat bezeichnet, wird in 1(c) und in den Figuren, die 1(c) folgen, zur Vereinfachung weggelassen.
Mit Bezug zu 1(d) wird ein Oxidfilm 6 durch CVD abgeschieden und dann werden Abschnitte des Oxidfilmes 6, die Bereichen entsprechen, in denen Gräben 7 gebildet werden sollen, durch Ätzen entfernt.
Dann wird das Halbleitersubstrat unter Verwendung des Oxidfilmes 6 als Maske derart geätzt, daß die Gräben 7 gebildet werden, wie in 2(a) gezeigt ist.
Dann wird das Werkstück nach dem Bilden der Gräben 7 durch Ätzen derart bearbeitet, daß vergrabene MOS-Gates mit verbesserten Eigenschaften gebildet werden.
Zuerst werden Abschnitte des Oxidfilmes 6 um die oberen Teile bzw. Enden der Gräben 7 derart selektiv entfernt, daß die Ränder bzw. Kanten des Oxidfilmes um die oberen Enden der Gräben 7 durch einen Abstand x von den oberen Rändern der Gräben 7 getrennt sind, wie in 2(b) gezeigt ist.
Dann wird die Oberfläche des Halbleitersubstrates einem isotropen Plasmaätzprozeß ausgesetzt. Folglich werden die Ränder 8 der oberen Enden der Gräben 7 abgerundet und die unteren Wände 9 der Gräben 7 werden in einer runden Form geätzt, wie in 2(c) gezeigt ist.
Ein Oxidfilm 10 (ein Opferoxidfilm) wird, wie in 2(d) gezeigt ist, gebildet und dann wird der Oxidfilm 10, wie in 3(a) gezeigt ist, entfernt.
Folglich werden die Ränder 8 und die unteren Wände 9 der Gräben 7 abgerundet und die Seitenwände der Gräben 7 werden geglättet.
Dann wird ein Siliziumdioxidfilm 11 (ein erster Isolierfilm) auf den Wänden der Gräben 7 und der Oberfläche des Werkstückes gebildet, wie in 3(b) gezeigt ist. Der Siliziumdioxidfilm dient als Gateisolierfilm 11.
Dann werden die Gräben 7 mit einem ersten leitenden Film 12 aus einem ersten Gateelektrodenmaterial, wie z. B. einem Polysilizum, das stark mit Phosphor dotiert ist, zum Bilden der ersten Gateelektroden gefüllt, wie in 3(c) gezeigt ist.
Dann wird der erste leitende Film 12 derart geätzt, daß Abschnitte des ersten leitenden Filmes 12, die die Oberfläche des Siliziumwafers bedecken, entfernt werden, und Abschnitte des ersten leitenden Filmes 12, die die Graben 7 füllen, werden derart geätzt, daß die Oberflächen der gleichen Abschnitte des ersten leitenden Filmes 12 unterhalb einer Ebene, die die Oberfläche des Siliziumwafers enthält, d. h. unterhalb einer Ebene, die die oberen Enden der Graben 7 enthält, liegen, wie in 3(d) gezeigt ist.
Dann wird ein CVD-Film 13 (ein zweiter Isolierfilm) abgeschieden, wie in 4(a) gezeigt ist.
Dann werden, wie in 4(b) gezeigt ist, Abschnitte des CVD-Filmes 13, die den Graben 7 entsprechen, durch Ätzen derart entfernt, daß die Oberfläche des ersten leitenden Filmes 12, der die Graben 7 füllt, freigelegt wird und Abschnitte des CVD-Filmes 13, die den Gateisolierfilm (Siliziumdioxidfilm) 11 bedecken, zurückbleiben.
Dann wird, wie in 4(c) gezeigt ist, ein zweiter leitender Film 14 eines zweiten Gateelektrodenmaterial derart gebildet, daß er mit dem ersten leitenden Film 12 in den Graben 7 verbunden ist.
Dann wird, wie in 4(d) gezeigt ist, der zweite leitende Film 14 des zweiten Gateelektrodenmateriales bemustert.
Das erste Gateelektrodenmaterial, das den ersten leitenden Film 12 bildet, und das zweite Gateelektrodenmaterial, das den zweiten leitenden Film 14 bildet, sind gleich. Eine Silizidschicht, wie z. B. TiSi-Schicht oder eine CoSi-Schicht, kann auf der Oberfläche des ersten leitenden Filmes 12 zum Reduzieren des Gatewiderstandes in der Stufe, die in 4(b) gezeigt ist, vor dem Abscheiden des zweiten leitenden Filmes 14 gebildet werden.
Dann wird, wie in 5(a) gezeigt ist, der zweite leitende Film 14 mit einem Resistfilm 14a bedeckt, wird der CVD-Film 13 durch Ätzen bemustert und dann werden p⁺-Bereiche 18 durch Ionenimplantation gebildet.
Dann wird, wie in 5(b) gezeigt ist, die Oberfläche des zweiten leitenden Filmes 14 derart oxidiert, daß ein Oxidfilm 15 gebildet wird, und Zwischenschichtisolierfilme 16 und 17, wie z. B. CVD-Film oder ein Silikatglasfilm, der Bor oder Phosphor enthält, werden gebildet.
Dann werden die Filme 11, 13, 16 und 17 derart bemustert, daß Kontakte gebildet werden, wie in 6(a) gezeigt ist, und dann werden, wie in 6(b) gezeigt ist, eine Silizidschicht 19, eine Barrierenmetallschicht 20 und ein Aluminiumfilm 21 durch Sputtern und Lampenerwärmen (Lampenannealing) gebildet. Es wird eine Elektrode 22 auf der unteren Oberfläche des Halbleitersubstrates zum Fertigstellen eines IGBT mit einem Aufbau eines vergrabenen MOS-Gates gebildet.
6(b) zeigt den IGBT eines Aufbaus mit einem vergrabenen MOS-Gate, der hergestellt ist, in einer Querschnittsansicht als ein Beispiel einer Halbleitereinrichtung der ersten Ausführungsform.
Kurz gesagt, weist diese Halbleitereinrichtung in der ersten Ausführungsform die Gräben 7 auf, die in der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates 30 gebildet sind. Die Gateisolierfilme 11 und 13, die die Wände der Gräben 7 bedecken und sich auf die Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates 30 erstrecken, weisen Abschnitte einer erhöhten Dicke auf, die sich um die oberen Enden der Gräben 7 erstrecken. Das Gate ist durch Bemustern des ersten leitenden Filmes 12 und zweiten leitenden Filmes 14 gebildet und das Gate weist einen Abschnitt einer reduzierten Dicke an dem oberen Ende des Grabens 7 auf.
Alternativ kann der Aufbau der Halbleitereinrichtung in der ersten Ausführungsform wie folgt beschrieben werden. Die Halbleitereinrichtung in der ersten Ausführungsform weist Gräben 7 auf, die in der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates 30 gebildet sind. Der erste Gateisolierfilm 11 bedeckt die Wände der Gräben 7 und die Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates 30 und der erste leitende Film 12 füllt die Gräben 7 bis zu einer Position unterhalb einer Ebene, die die obere Enden der Gräben 7 enthält. Der zweite Isolierfilm 13 ist auf dem ersten Gateisolierfilm 11 gebildet und erstreckt sich über die peripheren Abschnitte des ersten leitenden Filmes 12, der in den Graben 7 gebildet ist, und über die Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates 30. Der zweite leitende Film 14 ist durch in dem zweiten Isolierfilm 13 gebildeten Öffnungen mit dem ersten leitenden Film 12 verbunden und liegt auf Abschnitten der Oberfläche des zweiten Isolierfilmes 13.
Das Halbleitereinrichtungsherstellungsverfahren zum Herstellen der Halbleitereinrichtung in der ersten Ausführungsform kann wie folgt zusammengefaßt werden. Zuerst werden die Mehrzahl von Gräben 7 in der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates 30 gebildet. Der erste Gateisolierfilm 11, der als Gateisolierfilm dient, wird an den Wänden der Gräben 7 und der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates 30 gebildet. Der erste leitende Film 12 wird auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates 30 derart gebildet, daß er die Gräben 7 auffüllt. Der erste leitende Film 12 wird derart geätzt, daß Abschnitte, die die Oberfläche des Siliziumwafers 30 bedecken, entfernt werden. Abschnitte des ersten leitenden Filmes 12, die die Gräben 7 auffüllen, werden derart geätzt, daß die Oberflächen der gleichen Abschnitte unterhalb einer Ebene liegen, die die oberen Enden der Gräben 7 enthält, und sie bilden untere Abschnitte der Gates. Der zweite Gateisolierfilm 13 wird über der gesamten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates 30 abgeschieden. Abschnitte des zweiten Isolierfilmes 13 (die den Gräben 7 entsprechen) werden durch Ätzen entfernt. Somit bildet ein Abschnitt des zweiten Isolierfilmes 13, der den ersten Gateisolierfilm 11 bedeckt, Öffnungen, die den ersten leitenden Film 12 erreichen, der die Gräben 7 füllt. Der zweite leitende Film 14 wird durch die Öffnungen derart gebildet, daß er mit dem ersten leitenden Film 12 in den Graben 7 verbunden ist, wodurch die Halbleitereinrichtung mit Grabenstruktur fertiggestellt wird.
Wenn die so gebildete vergrabene MOS-Gatestruktur verwendet wird, wird kein Vorsprung in der Si/SiO2-Übergangsstelle in den Gräben gebildet. Das heißt, daß keine Struktur gebildet wird, die die Leckeigenschaften des auf den Seitenwänden der Gräben gebildeten Gateoxidfilmes verschlechtern. Folglich werden die Leckeigenschaften des Gateoxidfilmes verbessert.
Zweite Ausführungsform
7–9 sind beispielhafte Figuren eines Herstellungsverfahrens einer Halbleitereinrichtung mit Gräben und des Aufbaus davon in einer zweiten Ausführungsform. Die Schritte zum Bearbeiten eines Werkstückes zum Erhalten des Werkstückes in einem Zustand, der in 7(a) gezeigt ist, sind die gleichen wie die zum Herstellen der Halbleitereinrichtung in der ersten Ausführungsform, die in 1 und 2 gezeigt sind.
Zuerst wird das Halbleitereinrichtungsherstellungsverfahren beschrieben und dann wird der Aufbau der Halbleitereinrichtung beschrieben.
Prozesse, die ähnlich zu denen sind, die vorher mit Bezug zu 1 und 2 beschrieben wurden, werden durchgeführt.
Wie in 7(a) gezeigt ist, werden die unteren Wände der Gräben 7 mit Arsen in einer Dotierungskonzentration dotiert, die niedriger ist als die der p-Basisschicht 4 und höher ist als die des n^–-Bereiches 1, nach dem Bilden der Gräben 7 oder nach dem Beenden der Nachbehandlung der Gräben 7.
Dann wird ein Siliziumdioxidfilm 11 (ein Isolierfilm) auf den Wänden der Graben 7 und der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates abgeschieden, wie in 7(b) gezeigt ist. Der Siliziumdioxidfilm 11 wird als Gateoxidfilm dienen.
Somit kann die Reduzierung der Dicke eines Abschnittes des Gateisolierfilmes 11, der die untere Wand 9 von jedem Graben 7 bedeckt, durch beschleunigte Oxidation verhindert werden. Weiterhin wird die Gleichmäßigkeit der Dicke des Gateisolierfilmes 11 auf den Wänden der Gräben 7 verbessert, wodurch erwartet wird, daß die Eigenschaften des Gateoxidfilmes vorteilhaft beeinflußt werden.
Dann wird ein leitender Film 12 eines Gateelektrodenmaterials, wie z. B. Polysilizium, das stark mit Phosphor dotiert ist, auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates derart gebildet, daß die Gräben 7 gefüllt werden, wie in 7(c) gezeigt ist.
Dann wird der leitende Film 12 derart geätzt, daß ein vorstehender Abschnitt zurück bleibt und andere Abschnitte als die, die den Gräben 7 entsprechen, davon entfernt werden, wie in 8(a) gezeigt ist. Durch Ionenimplantation werden p⁺-Bereiche 18 ebenfalls in der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates gebildet. Die Oberfläche des leitenden Filmes 12 wird derart oxidiert, daß ein Oxidfilm 15 gebildet wird.
Dann werden Zwischenschichtisolierfilme 16 und 17, wie z. B. CVD-Filme oder Silikatglasfilme, die Bor oder Phosphor enthalten, gebildet, wie in 8(b) gezeigt ist.
Dann werden die Filme 11, 16 und 17 bemustert, wie in 8(c) gezeigt ist.
Dann werden eine Silizidschicht 19, ein Barrierenmetallfilm 20 und ein Aluminiumfilm 21 durch Sputtern und Lampenerwärmen derart gebildet, daß ein IGBT mit einer Struktur eines vergrabenen MOS-Gates fertiggestellt wird, die in 9 gezeigt ist.
In dem obigen wird ein Halbleiterherstellungsverfahren erläutert, bei dem eine Dotierung in die unteren Wände der Gräben difundiert wird, zum Herstellen einer Halbleitereinrichtung mit Gates, die über die oberen Enden der Gräben hervorstehen. Der Effekt der Diffusion einer Dotierung in die unteren Wände der Gräben ist jedoch nicht abhängig von dem Aufbau der Gates und die Diffusion einer Dotierung in die unteren Wände der Graben kann effektiv bei Halbleitereinrichtungen des der Anmelderin bekannten Gateaufbaus oder bei der Halbleitereinrichtung des Gateaufbaus wie in der ersten Ausführungsform gezeigt ist, angewendet werden.
Der Aufbau der zweiten Ausführungsform und das Herstellungsverfahren derselben kann wie folgt zusammengefaßt werden. Die Halbleitereinrichtung in der zweiten Ausführungsform weist das Halbleitersubstrat 30, das mit den Gräben 7 in seiner Hauptoberfläche vorgesehen ist, auf. Der Gateisolierfilm 11 bedeckt die Wände der Gräben 7 und erstreckt sich auf die Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates 30. Der leitende Film 12 füllt die Gräben 7 und steht über das obere Ende der Gräben 7 hervor, d. h. er steht von einer Ebene, die die Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates 30 enthält, hervor.
Das Herstellungsverfahren der Halbleitereinrichtung in der zweiten Ausführungsform bildet die Gräben 7 in der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates 30, bildet den Gateisolierfilm 11 auf den Wänden der Gräben 7 und auf die Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates 30 erstreckend, bildet den leitenden Film 12 in den Gräben 7 und auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates 30 und läßt den leitenden Film 12 in den Gräben durch Ätzen des leitenden Filmes auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates 30 mit einem vorbestimmten Abstand von den Gräben derart zurück, daß er sich über die Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates 30 erstreckt. Somit wird eine Halbleitereinrichtung mit Grabenstrukturen hergestellt.
Die so hergestellte Halbleitereinrichtung in der zweiten Ausführungsform weist den Gateisolierfilm 11, d. h. einen Gateoxidfilm, der die Wände der Gräben 7 bedeckt und sich auf die Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates 30 erstreckt, und den leitenden Film 12, d. h. Gates, der die Gräben 7 auffüllt und von den Gräben 7 hervorsteht, auf. Daher kann die Konzentration des Stromes, der durch den Gateisolierfilm 11 an den oberen Enden der Gräben fließt, verhindert werden, wodurch die Zuverlässigkeit des Gateisolierfilmes 11 verbessert wird.
Bei der Halbleitereinrichtung der zweiten Ausführungsform sind die unteren Wände der Gräben 7 mit einer Dotierung, wie z. B. Arsen, durch eine Ionenimplantation dotiert und dann ist der Gateisolierfilm 11 gebildet. Die Abschnitte des Gateisolierfilmes 11, die die unteren Wände der Gräben 7 bedecken, weisen einen ausreichende Dicke auf.
Bei dem Herstellungsverfahren der Halbleitereinrichtung der zweiten Ausführungsform werden die Gräben 7 in der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates 30 gebildet, wird eine Dotierung in die unteren Wände bzw. Bodenwände der Gräben 7 implantiert und wird der Gateisolierfilm 11 auf den Wänden der Gräben 7 gebildet. Die Vorgänge, die dem Vorgang des Bildens des Gateisolierfilmes 11 folgen, sind die gleichen, wie die des der Anmelderin bekannten Halbleitereinrichtungsherstellungsverfahren.
Die so gebildete, vergrabene MOS-Gatestruktur verbessert die Gleichmäßigkeit der Dicke der Abschnitte des Gate-Isolierfilmes, der die Wände der Gräben bedeckt, und verbessert die Eigenschaften des Gate-Isolierfilmes.
Dritte Ausführungsform
10(a) und 10(b) sind beispielhafte Figuren des Aufbaus der Halbleitereinrichtung in einer dritten Ausführungsform und 11 und 12 sind beispielhafte Diagramme des Betriebs der Halbleitereinrichtung in der dritten Ausführungsform.
10(a) zeigt ein erstes Beispiel eines Aufbaus der Halbleitereinrichtung der dritten Ausführungsform, der auf dem gleichen Konzept beruht, auf dem der vergrabene MOS-Gateaufbau der zweiten Ausführungsform beruht. In dieser Halbleitereinrichtung bedeckt ein Gateisolierfilm 11 die Wände der Gräben 7 und erstreckt sich auf die Abschnitte der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates um die oberen Enden der Graben 7. Ein leitender Film 12, der die Gates bildet, füllt die Gräben 7 auf, steht von den Gräben 7 vor und erstreckt sich auf Abschnitte des Gateisolierfilmes 11. um die oberen Enden der Gräben 7 entlang der gleichen Länge.
10(b) zeigt ein zweites Beispiel der Halbleitereinrichtung in der dritten Ausführungsform. In einem vergrabenen MOS-Gateaufbau, der in dieser Halbleitereinrichtung verwendet wird, erstreckt sich ähnlich zu dem. der ersten Ausführungsform ein Gateisolierfilm 11 kontinuierlich über benachbarte Gräben 7 und ein leitender Film 12, der die Gates bildet, ist kontinuierlich über die benachbarten Gräben gebildet. Teile, die in 10(b) gezeigt sind und zu denen der zweiten Ausführungsform ähnlich oder entsprechend sind, sind durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Folglich wird die weitere Beschreibung der Halbleitereinrichtung, die in 10(b) gezeigt ist, ausgelassen.
In dieser dritten Ausführungsform ist der leitende Film 12, der die Gates bildet, so derart gebildet, dass er die Gräben auffüllt und von den Gräben so hervorsteht, dass er oberhalb einer Ebene, die die Oberfläche des Halbleitersubstrates enthält, liegt, im Unterschied zu dem der Anmelderin bekannten vergrabenen MOS-Gateaufbau. Daher erhöht sich das Verhältnis β der Kondensatorfläche (Abschnitt F(eben) in 10(a)) des Abschnittes des Gateisolierfilmes 11 auf der Oberfläche des Halbleitersubstrates zu der gesamten Kondensatorfläche (F(gesamter Graben)) des Gateisolierfilmes 11, der die Wände der Gräben 7 und die Oberfläche des Halbleitersubstrates bedeckt. Im Gegensatz dazu liegt bei dem der Anmelderin bekannten vergrabenen MOS-Gateaufbau der ebene Abschnitt nur innerhalb eines Abschnittes F(eben), der in 16 gezeigt ist.
Ähnlich zu der Kondensatorfläche ist das Verhältnis α der Gaterandlänge auf der Oberfläche des Halbleitersubstrates zu der gesamten Gaterandlänge in den vergrabenen MOS-Gatestrukturen, die in 10(a) oder 10(b) gezeigt sind, größer als in der Anmelderin bekannten vergrabenen MOS-Gatekonstruktion.
11 und 12 sind Diagramme, die die Änderung der Menge Qbd der elektrischen Ladung, die angesammelt ist, bevor der Gateisolierfilm durchbrochen wird, bezüglich des Kapazitätsverhältnisses β bzw. des Randlängenverhältnisses α zeigen. Die Menge Qdb der elektrischen Ladung zeigt die Menge der elektrischen Ladung an, die angesammelt werden kann, bevor der elektrische Durchbruch des Gateisolierfilmes auftritt, und ist ein Parameter, der die Zuverlässigkeit des Gateisolierfilmes anzeigt. Gateisolierfilme mit einem größeren Qbd weisen eine größere Filmqualität und eine größere Zuverlässigkeit auf.
Es ist von 11 bekannt, dass Qbd für den in 10(a) oder 10(b) gezeigten vergrabenen MOS-Gateaufbau stärker mit der Erhöhung des Kapazitätsverhältnisses β ansteigt als Qbd für den der Anmelderin bekannten vergrabenen MOS-Gateaufbau. Während das Kapazitätsverhältnis β des der Anmelderin bekannten vergrabenen MOS-Gateaufbaus in der Größenordnung von 2% liegt, liegt das Kapazitätsverhältnis β des vergrabenen MOS-Gateaufbaus in der dritten Ausführungsform bei ungefähr 10%. Es ist von dem Diagramm von 11 bekannt, daß Qbd für den vergrabenen MOS-Gateaufbau der dritten Ausführungsform 10 mal Qbd für den der Anmelderin bekannten vergrabenen MOS-Gateaufbau oder mehr betragen wird, wenn der Gateisolierfilm 11 und der leitende Film 12 derart gebildet sind, daß das Kapazitätsverhältnis β 5% oder mehr beträgt.
Es ist von 12 bekannt, daß sich Qbd für den in 10(a) oder 10(b) gezeigten vergrabenen MOS-Gateaufbau stärker mit dem Anstieg des Randlängenverhältnisses α erhöht als Qbd für den der Anmelderin bekannten vergrabenen MOS-Gateaufbau. Während das Randlängenverhältnis α des der Anmelderin bekannten vergrabenen MOS-Gateaufbaus in der Größenordnung von 5% liegt, beträgt das Randlängenverhältnis α der vergrabenen MOS-Gatestruktur in der dritten Ausführungsform ungefähr 40%. Es ist von dem Diagramm von 12 bekannt, daß Qbd für den vergrabenen MOS-Gateaufbau der dritten Ausführungsform 10 mal Qbd für den der Anmelderin bekannten vergrabenen MOS-Gateaufbau oder mehr betragen wird, wenn der Gateisolierfilm 11 und der leitende Film 12 derart gebildet sind, daß das Randlängenverhältnis α 30% oder mehr beträgt.
Die in 11 oder 12 gezeigten Eigenschaften werden der folgenden Tatsache zugeordnet. Der Strom, de durch den Gateisolierfilm fließt, wird an den oberen Enden der Gräben konzentriert und die Stromdichte in den oberen Enden der Gräben wird reduziert, wenn das Verhältnis der Fläche der oberen Enden der Graben zu der gesamten Kondensatorfläche reduziert wird. In 11 oder 12 sind die Punkte, die β = 100% oder α = 100% entsprechen, die für den der Anmelderin bekannten Ebenen MOS-Gateaufbau.
Ein Herstellungsverfahren der Halbleitereinrichtung, die in 10(a) gezeigt ist, ist im wesentlichen das Gleiche, wie das Herstellungsverfahren der Halbleitereinrichtung in der zweiten Ausführungsform, und daher wird die Beschreibung davon ausgelassen.
Ein Herstellungsverfahren der Halbleitereinrichtung, die in 10(b) gezeigt ist, ist grundsätzlich das Gleiche, wie das Herstellungsverfahren der Halbleitereinrichtung in der zweiten Ausführungsform, außer daß dieses Verfahren den leitenden Film 12 kontinuierlich über die zwei Gräben 7 in dem in 8(a) gezeigten Schritt bildet, und daher wird die weitere Beschreibung davon ausgelassen. Das Herstellungsverfahren der Halbleitereinrichtung, die in 10(b) gezeigt ist, kann den in 7(a) gezeigten Schritt auslassen.
Die Halbleitereinrichtung in einem Beispiel der dritten Ausführungsform weist den Gateisolierfilm 11, der die Wände der Gräben 7 bedeckt und sich auf die Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates 30 erstreckt, und den leitenden Film 12, der die Gräben 7 auffüllt und sich über die gesamten Abschnitte des Gateisolierfilmes 11, der sich auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates 30 erstreckt, in gleicher Länge erstreckt, auf.
In der Halbleitereinrichtung in einem anderen Beispiel der dritten Ausführungsform sind der Gateisolierfilm 11 und der leitende Film 12 derart gebildet, daß sie sich kontinuierlich über benachbarte Gräben 7 erstrecken.
Die Halbleitereinrichtung in einem anderen Beispiel der dritten Ausführungsform ist aus einem vergrabenen MOS-Gateaufbau, bei dem das Verhältnis der Kondensatorfläche an den oberen Enden der Gräben zu der gesamten Kondensatorfläche groß ist. Bevorzugt beträgt die Kondensatorfläche des Abschnittes des Gateisolierfilmes außerhalb des Grabens auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates 50% oder mehr der gesamten Kondensatorfläche des gesamten Gateisolierfilmes.
Die Halbleitereinrichtung in einem anderen Beispiel der dritten Ausführungsform ist aus einem vergrabenen MOS-Gateaufbau, bei dem der Gateisolierfilm derart gebildet ist, daß die Gaterandlänge des Abschnittes des Gateisolierfilmes außerhalb des Grabens auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates 60% oder mehr der gesamten Gaterandlänge des Isolierfilmes beträgt.
Die dritte Ausführungsform verbessert die Zuverlässigkeit des Gateisolierfilmes.
Vierte Ausführungsform
13 und 14 sind beispielhafte Figuren des Aufbaus und des Herstellungsverfahrens einer Halbleitereinrichtung mit Grabensturktur in der vierten Ausführungsform. Die Schritte des Halbleitereinrichtungsherstellungsverfahrens zum Vorsehen eines Werkstückes in einem Zustand, der in 13 gezeigt ist, sind die gleichen wie die, die in 1(a)–2(d), die die Schritte des Herstellungsverfahrens der Halbleitereinrichtung in der ersten Ausführungsform darstellen, gezeigt sind, und daher wird die Beschreibung davon ausgelassen.
Zuerst wird das Halbleitereinrichtungsherstellungsverfahren beschrieben und dann wird der Aufbau der Halbleitereinrichtung beschrieben.
Bei dem Herstellungsverfahren werden die in 1(a)–1(c) gezeigten Schritte ausgeführt.
Bei dem in 1(d) gezeigten Schritt wird ein CVD-Film 6, der dicker als der der ersten und zweiten Ausführungsform ist, abgeschieden und Öffnungen werden in Abschnitten des CVD-Filmes 6 entsprechend den Gräben 7 gebildet.
Dann werden die gleichen Schritte, wie die, die in 2(a)–2(d) gezeigt sind, ausgeführt. In diesem Zustand unterscheidet sich die vierte Ausführungsform von der ersten Ausführungsform darin, daß der CVD-Film 6 dicker ist als der der ersten Ausführungsform.
Ein Werkstück in dem in 13(a) gezeigten Zustand wird durch Entfernen eines Oxidfilmes 10 des Werkstückes in dem in 2(d) gezeigten Zustand erhalten. Da der CVD-Film 6 relativ dick ist, bleibt der CVD-Film 6 teilweise auf der Oberfläche des Halbleitersubstrates zurück, nachdem der Oxidfilm 10 entfernt worden ist.
Dann wird, wie in 13(b) gezeigt ist, ein Gateisolierfilm 11 gebildet. Abschnitte des Gateisolierfilmes 11, die sich auf die Oberfläche des Halbleitersubstrates erstrecken, werden mit dem CVD-Film 6, der eine erhöhte Dicke aufweist, vereint. Der Gateisolierfilm 11 wird derart gebildet, daß die Dicke der Abschnitte des Gateisolierfilmes, die auf der Oberfläche des Halbleitersubstrates gebildet werden, die doppelte Dicke der Abschnitte desselben, der auf den Wänden der Gräben oder oberhalb gebildet ist, aufweisen.
Die Schritte, die dem in 13(b) gezeigten Schritt folgen, können die gleichen wie die entsprechenden Schritte des der Anmelderin bekannten Halbleitereinrichtungsherstellungsverfahrens oder der Schritt, der in 7(c) gezeigt ist, und die nachfolgenden Schritte des Herstellungsverfahrens der Halbleitereinrichtung in der zweiten Ausführungsform sein, und sind darauf nicht beschränkt.
Somit ist das Herstellungsverfahren der Halbleitereinrichtung in der vierten Ausführungsform durch die Verwendung des CVD-Filmes 6 mit einer größeren Dicke als die der CVD-Filme der Halbleitereinrichtungen der ersten und zweiten Ausführungsform als Maske zum Verwenden in einem Ätzprozeß zum Bilden der Gräben charakterisiert.
14(a)–14(d) sind Querschnittsansichten der Halbleitereinrichtungen von Beispielen der vierten Ausführungsform, die durch das obige Halbleitereinrichtungsherstellungsverfahren hergestellt sind. 14(a) ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitereinrichtung, bei der die oberen Oberflächen der Gates, die durch Abscheiden eines leitenden Filmes 12 in den Gräben 7 gebildet sind, unterhalb einer Ebene liegen, die die oberen Enden der Gräben 7 aufweist. 14(b) ist eine Querschnittsansicht entlang der longitudinalen Achse des Grabens 7 der Halbleitereinrichtung von 14(a). 14(c) ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnittes der Halbleitereinrichtung, der mit ”A” in 14(a) bezeichnet ist, und 14(d) ist eine Querschnittsansicht einer Halbleitereinrichtung, die mit Gates vorgesehen ist, die durch Abscheiden eines leitenden Filmes 12 in Gräben 7 gebildet sind und von den oberen Enden der Gräben 7 hervorstehen.
Wie von 14(c), die den Abschnitt ”A” in einer vergrößerten Querschnittsansicht zeigt, ersichtlich ist, ist die Halbleitereinrichtung in der vierten Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke tgox1 eines Abschnittes des Gateisolierfilmes 11, der auf der Oberfläche des Halbleitersubstrates gebildet ist, die doppelte Dicke tgox2 eines Abschnittes des Gateisolierfilmes 11, der auf der Seitenwand des Grabens 7 gebildet ist, oder größer ist.
Folglich ist die Intensität bzw. Stärke Ecor,y eines vertikalen elektrischen Feldes, d. h. eines elektrischen Feldes in einer Y-Richtung, in einem Bereich um den Rand des Grabens 7 niedriger als die eines vertikalen elektrischen Feldes, wenn die Dicke tgox1 eines Abschnittes des Gateisolierfilmes 11, der auf der Oberfläche des Halbleitersubstrates gebildet ist, gleich zu der Dicke tgox2 eines Abschnittes des Gateisolierfilmes 11, der auf der Seitenwand des Grabens 7 gebildet ist, ist. Daher ist die totale Intensität Ecor, d. h. die Summe der Intensitäten der elektrischen Felder in der X- und Y-Richtung des Abschnittes um den Rand des Grabens 7, niedriger als die in der der Anmelderin bekannten Halbleitereinrichtung. Folglich wird ein elektrisches Feld mit reduzierter Intensität an die Abschnitte des Gateisolierfilmes 11 um die Ränder der Gräben 7 angelegt, so daß die Eigenschaften des Gateisolierfilmes 11 verbessert sind und die Ausbeute erhöht ist.
Fünfte Ausführungsform
Der Aufbau einer Halbleitereinrichtung in einer fünften Ausführungsform und ein Herstellungsverfahren derselben wird im folgenden beschrieben.
Zuerst wird das Halbleitereinrichtungsherstellungsverfahren beschrieben und dann wird der Aufbau beschrieben. 1(a)–3(b) in der ersten Ausführungsform werden zum Zeigen der Vorgänge zum Herstellen der Halbleitereinrichtung in dieser fünften Ausführungsform verwendet.
Zuerst werden Vorgänge ähnlich zu denen, die in 1(a)–3(b) gezeigt sind, derart durchgeführt, daß Gräben 7 in einem Halbleitersubstrat 30 gebildet werden, wie in 3(a) gezeigt ist.
Das Herstellungsverfahren der Halbleitereinrichtung in der fünften Ausführungsform ist durch einen Vorgang des Bildens eines Gateisolierfilmes 11 auf den Wänden der Gräben 7 charakterisiert, wie in 3(b) gezeigt ist.
Der Gateisolierfilm 11 der fünften Ausführungsform ist ein Zweischichtfilm, der durch Bilden eines Oxidfilmes durch thermische Oxidation und Abscheiden eines CVD-Filmes auf dem Oxidfilm gebildet ist. Es ist ebenfalls möglich den Gateisolierfilm 11 eines Zweischichtaufbaus durch zuerst Abscheiden eines CVD-Filmes und dann Bilden eines Oberflächenoxidfilmes durch thermische Oxidation des CVD-Filmes zu bilden.
Der Gateisolierfilm 11 kann ein Dreischichtfilm, der aus einem thermischen Oxidfilm, der durch thermische Oxidation gebildet ist, einem CVD-Film, der auf dem Oxidfilm abgeschieden ist, und einem Oberflächenoxidfilm, der durch thermische Oxidation des CVD-Filmes gebildet ist, besteht, sein.
Wenn der Gateisolierfilm 11 so gebildet ist, ist eine Unregelmäßigkeit der Dicke der Abschnitte des Gateisolierfilmes, die an den Wänden der Gräben gebildet sind, reduziert, ist die Gleichmäßigkeit der Dicke der Abschnitte des Gateisolierfilmes 11, die auf den Wänden der Gräben gebildet sind, verbessert und können nachteilige Effekte der Unregelmäßigkeit der Dicke des Gateisolierfilmes 11 verhindert werden.
Da ein Kanal in einem Abschnitt der Oberfläche des Halbleitersubstrates, der mit dem Gateisolierfilm 11 bedeckt ist, gebildet werden kann, ist es bevorzugt, daß eher ein Oxidfilm, der die Reduzierung der Mobilität in dem MOS-Kanal verhindert, auf dem Halbleitersubstrat als auf einem CVD-Film gebildet wird.
Die Vorgänge, die dem Vorgang des Bildens des Gateisolierfilmes 11 folgen, können beispielsweise die gleichen, wie die des Bildens der der Anmelderin bekannten Halbleitereinrichtung, wieder Vorgang, der in 3(c) gezeigt ist, und die nachfolgenden Vorgänge oder der Vorgang, der in 7(c) gezeigt ist, und die nachfolgenden Vorgänge sein.
Im allgemeinen wird aufgrund der folgenden Gründe ein Gateisolierfilm auf den Wänden eines Grabens mit einer unregelmäßigen Dicke gebildet. Die Wände eines Grabens weisen verschiedene Oberflächenorientierungen auf und ein Gateisolierfilm 11, der auf den Wänden des Grabens durch den der Anmelderin bekannten thermischen Oxidationsvorgang gebildet ist, weist zwangsläufig eine unregelmäßige Dicke aufgrund der Abhängigkeit von der Oberflächenorientierung auf.
Im Gegensatz dazu wird in der fünften Ausführungsform der Gateisolierfilm 11 durch Bilden eines CVD-Filmes auf dem thermischen Oxidfilm oder durch Bilden eines thermischen Oxidfilmes auf einem CVD-Film derart gebildet, daß die Unregelmäßigkeit der Dicke des Gateisolierfilmes 11 reduziert wird.
Weiterhin ist der Gateisolierfilm 11 der fünften Ausführungsform effektiv beim Verhindern des Dünnens (Verschmälern) eines Abschnittes des Gateisolierfilmes 11 an der Grenze zwischen einer LOCOS-Struktur 23 (Trennoxidfilm) und dem Gateisolierfilm 11, der in 16(b) gezeigt ist. Somit ist er effektiv beim Verhindern des Durchbruches des Gateisolierfilmes 11 in einem Bereich ”E” bzw. ”A” und der Verschlechterung der Eigenschaften des Gateisolierfilmes.
Weiterhin kann das Herstellungsverfahren der Halbleitereinrichtung in der fünften Ausführungsform anstatt des Verfahrens, das die Unregelmäßigkeit der Dicke des Gateisolierfilmes 11 reduziert, verwendet werden. Dies wird durch Bilden einer n-Schicht auf der unteren Wand des Grabens zur beschleunigten Oxidation verwirklicht. Diese Verfahren sind beide effektiv beim Bilden des Gateisolierfilmes mit einer gleichmäßigen Dicke.
Die Halbleitereinrichtung in der fünften Ausführungsform weist die Gräben 7, die in der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates 30 gebildet sind, den Gateisolierfilm 11, der durch Bilden eines thermischen Oxidfilmes auf den Wänden der Gräben 7 und Abscheiden eines CVD-Filmes auf dem thermischen Oxidfilm oder durch Abscheiden eines CVD-Filmes auf den Wänden der Gräben 7 und Bilden eines thermischen Oxidfilmes auf dem CVD-Film gebildet ist, und den leitenden Film 12, der die Gräben 7 füllt, auf.
Wie von der obigen Beschreibung deutlich wird, ist die Halbleitereinrichtung in der fünften Ausführungsform mit dem Gateisolierfilm 11, der an den Wänden der Gräben gebildet ist und entweder (a) aus einem thermischen Oxidfilm und einem auf dem thermischen Oxidfilm liegenden CVD-Film oder (b) aus einem CVD-Film und einem auf dem CVD-Film liegenden thermischen Oxidfilm oder (c) aus einem thermischen Oxidfilm, einem auf dem thermischen Oxidfilm liegenden CVD-Film und einem auf dem CVD-Film liegenden thermischen Oxidfilm besteht, vorgesehen und der Gateisolierfilm 11 weist eine verbesserte gleichmäßige Dicke und eine verbesserte Zuverlässigkeit auf.
Sechste Ausführungsform
Ein Herstellungsverfahren einer Halbleitereinrichtung einer sechsten Ausführungsform wird im folgenden mit Bezug zu 1(a)–3(c), die die Vorgänge des Herstellens der Halbleitereinrichtung in der ersten Ausführungsform zeigen, beschrieben.
Die gleichen Vorgänge wie die, die in 1(a)–3(b) gezeigt sind, werden derart ausgeführt, daß Gräben 7 in einem Halbleitersubstrat 30 gebildet werden, und ein Gateisolierfilm 11 wird auf den Wänden der Gräben 7, wie in 3(b) gezeigt ist, gebildet.
Das Herstellungsverfahren der Halbleitereinrichtung in der sechsten Ausführungsform ist durch einen Vorgang des Bildens eines leitenden Oxidfilmes 12 aus einem Gateelektrodenbildungsmaterial, wie in 3(c) gezeigt ist, gekennzeichnet.
Wie in 3(c) gezeigt ist, wird ein leitender Film 12 aus beispielsweise Polysilizium, das stark mit Phosphor dotiert ist, derart gebildet, daß die Gräben 7 aufgefüllt werden. Danach werden Stickstoffinne in den leitenden Film 2 in einer Stickstoffkonzentration von 0,1–2 mal der Dotierungskonzentration der diffundierten n⁺-Emitterschicht 5 implantiert.
Dann wird der leitende Film 12 aus einem Gateelektrodenmaterial geätzt, wie in 3(d) oder 8(a) gezeigt ist. Es gibt keine spezielle Beschränkung der Vorgänge, die dem Vorgang des Ätzens des leitenden Filmes 12 folgen.
In der sechsten Ausführungsform wird Stickstoff in den Gateisolierfilm 11 diffundiert und abgesondert bzw. angesammelt, wenn der leitende Film 12, der die Gates bildet, nach dem die Stickstoffionen darin implantiert sind, erwärmt bzw. getempert wird. Somit wird eine stickstoffreiche Oxidschicht zwischen dem Gateisolierfilm 11 und dem Halbleitersubstrat 30 oder dem Gateisolierfilm und dem leitenden Film 12 gebildet. Folglich kann die Diffusion der Dotierungen von der n⁺-Emitterschicht 5 und der p-Basisschicht 5 in den Gateisolierfilm 11 während dem Erwärmen bzw. Annealing unterdrückt werden und die Verschlechterung der Eigenschaften des Gateisolierfilmes 11 kann unterdrückt werden.
Der leitende Film 12 wird durch den darin implantierten Stickstoff nitriert und die Stickstoffatome besetzen freie Bindungen und fehlerhafte Kristalle in der Schnittstelle zwischen dem Gateisolierfilm 11 und dem Halbleitersubstrat 30, wodurch das Auftreten eines Oberflächenpotentials reduziert wird. Da die Si-H- und Si-PH-Bindungen, die als Elektronenfallen in dem Gateisolierfilm 11 wirken, in Si-N-Bindungen umgewandelt werden, wird die Anzahl der Elektronenfallen in dem Gateisolierfilm 11 reduziert. Folglich wird die Widerstandsfähigkeit für heiße Ladungsträger des vergrabenen MOS-Gatetransistors verbessert.
Dieses Verfahren kann auf den Gateisolierfilm, der durch einen thermischen Oxidfilm, einen Zweischichtverbindungsfilm, der durch Abscheiden eines CVD-Filmes auf einem thermischen Oxidfilm aufgebaut ist, einen Zweischichtverbindungsfilm, der durch Bilden eines thermischen Oxidfilmes auf einem CVD-Film aufgebaut ist, oder einen Dreischichtverbindungsfilm, der durch Abscheiden eines CVD-Filmes auf einem thermischen Oxidfilm und Bilden eines anderen thermischen Oxidfilmes auf dem CVD-Film aufgebaut ist, gebildet ist, angewendet werden. Der Gateaufbau ist nicht auf den eines vergrabenen MOS-Gateaufbaus beschränkt, sondern kann der eines ebenen MOS-Gateaufbaus sein, wie in 20 gezeigt ist.
Wie von der obigen Beschreibung ersichtlich ist, sind bei der Halbleitereinrichtung des Grabentyps der sechsten Ausführungsform die Gates durch eine Stickstoffionenimplantation dotiert.
Bei dem Herstellungsverfahren der Halbleitereinrichtung der sechsten Ausführungsform werden Stickstoffionen in den leitenden Film zum Bilden der Gates derart implantiert, dass eine Schicht des Gateisolierfilmes nitriert wird, die an das Halbleitersubstrat angrenzt. Folglich kann die Zuverlässigkeit des Gateisolierfilmes, der an den Wänden der Gräben gebildet ist, verbessert werden.
Siebte Ausführungsform
15(a)–15(c) sind beispielhafte Figuren einer Halbleitereinrichtung einer siebten Ausführungsform.
15(a) ist eine Querschnittsansicht eines vergrabenen MOSFET, der den vergrabenen MOS-Gateaufbau, der in der zweiten Ausführungsform erläutert wurde, verwendet.
15(b) ist eine Querschnittsansicht eines IGBT, der den in der zweiten Ausführungsform erläuterten Aufbau des vergrabenen MOS-Gates verwendet, beidem ein Kollektor einen p⁺-/p^–-Aufbau aufweist, bei dem sowohl p⁺-Bereiche 3a als auch eine p^–-Diffusionsschicht 3 enthalten sind.
15(c) ist ein Teil einer Querschnittsansicht eines anderen IGBT, der den vergrabenen MOS-Gateaufbau, der in der zweiten Ausführungsform erläutert wurde, verwendet, bei dem ein Kollektor einen p⁺-/n⁺-Aufbau aufweist, der n⁺-Bereiche 3b sowie eine p⁺-Diffusionsschicht 3 enthält. In 15(a)–15(c) sind Teile, die zu den oben beschriebenen ähnlich sind oder diesen entsprechen, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet und die Beschreibung davon wird ausgelassen.
Wie oben erläutert wurde, kann der vergrabene MOS-Gateaufbau der Halbleitereinrichtungen, die in der ersten bis sechsten Ausführungsform erläutert wurden, effektiv auf verschiedene vergrabene MOS-Gate Leistungseinrichtungen und andere Halbleitereinrichtungen angewendet werden.
Die Effekte und Vorteile der oben beschriebenen Ausführungsformen wird im folgenden zusammengefaßt.
Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, wird bei der Halbleitereinrichtung mit Grabenstruktur und dem Herstellungsverfahren der Halbleitereinrichtung mit Grabenstruktur der Gatesisolierfilm auf den Wänden der Gräben gebildet und erstreckt sich auf die Oberfläche des Halbleitersubstrates und wird der leitende Film derart gebildet, daß er die Gräben auffüllt und von ihnen hervorsteht und sich auf den Gateisolierfilm auf der Oberfläche des Halbleitersubstrates erstreckt. Daher kann die Konzentration des Stromes, der durch den Gateisolierfilm an den oberen Enden der Gräben fließt, verhindert werden, wodurch die Zuverlässigkeit des Gateisoilierfilmes verbessert wird.
Beider Halbleitereinrichtung mit Grabenstruktur und dem Herstellungsverfahren der Halbleitereinrichtung mit Grabenstruktur sind die Abschnitte des Gateisolierfilmes, die um die oberen Enden der Gräben auf der Oberfläche des Halbleitersubstrates gebildet sind, mit einer größeren Dicke gebildet als die Abschnitte desselben, die an den Wänden der Gräben gebildet sind. Die Abschnitte des leitenden Filmes, der die Gates bildet, sind an den oberen Enden der Gräben schmäler oder dünner gebildet. Daher werden Unregelmäßigkeiten nicht in Abschnitten des Si/SiO2-Übergangs an oder um die oberen Enden der Gräben gebildet, was die Leckeigenschaften des Gateisolierfilmes verbessert.
Bei der Halbleitereinrichtung des Grabentyps bzw. der vergrabenen Halbleitereinrichtung und dem Herstellungsverfahren der vergrabenen Halbleitereinrichtung sind der Gateisolierfilm und der leitende Film derart gebildet, daß sie sich kontinuierlich über benachbarte Graben erstrecken. Daher kann die Konzentration des Stromes, der durch den Gateisolierfilm an den oberen Enden der Gräben fließt, verhindert werden, wodurch die Zuverlässigkeit des Gateisolierfilmes verbessert wird.
Bei der vergrabenen Halbleitereinrichtung und dem Herstellungsverfahren der vergrabenen Halbleitereinrichtung ist der Gateisolierfilm derart gebildet, daß die Kondensatorfläche des Abschnittes, der auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates liegt, 50% oder mehr der gesamten Kondensatorfläche des Gateisolierfilmes beträgt. Daher kann die Konzentration des Stromes, der durch den Gateisolierfilm an den oberen Enden der Gräben fließt, verhindert werden, wodurch die Zuverlässigkeit des Gateisolierfilmes verbessert wird.
Bei der vergrabenen Halbleitereinrichtung und dem Herstellungsverfahren der vergrabenen Halbleitereinrichtung ist der Gateisolierfilm derart gebildet, daß eine Gaterandlänge eines Abschnittes des Gateisolierfilmes, der außerhalb der Gräben auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates gebildet ist, 60% oder mehr der gesamten Gaterandlänge des Isolierfilmes beträgt. Daher kann die Konzentration des Stromes, der durch den Gateisolierfilm an den oberen Enden der Gräben fließt, verhindert werden, wordurch die Zuverlässigkeit des Gateisolierfilmes verbessert wird.
Bei der vergrabenen Halbleitereinrichtung und dem Herstellungsverfahren der vergrabenen Halbleitereinrichtung ist der Gateisolierfilm derart gebildet, daß die Dicke eines Abschnittes, der auf der Oberfläche des Halbleitersubstrates gebildet ist, doppelt so groß oder größer ist, wie die eines Abschnittes, der auf den Wänden der Gräben gebildet ist. Daher kann die Intensität des elektrischen Feldes, das an die Abschnitte des Gateisolierfilmes um die oberen Enden der Gräben angelegt ist, reduziert werden, wodurch die Leckeigenschaften des Gateisolierfilmes verbessert werden und die Ausbeute erhöht wird.
Bei der vergrabenen Halbleitereinrichtung und dem Herstellungsverfahren der vergrabenen Halbleitereinrichtung ist der Gateisolierfilm ein Zweischichtverbindungsfilm, der durch Abscheiden eines CVD-Filmes auf einem thermischen Oxidfilm gebildet ist, ein Zweischichtverbindungsfilm, der durch Bilden eines thermischen Oxidfilmes auf einem CVD-Film gebildet ist, oder ein Dreischichtverbindungsfilm, der durch Abscheiden eines CVD-Filmes auf einem thermischen Oxidfilm und Bilden eines anderen thermischen Oxidfilmes auf dem CVD-Film gebildet ist. Daher wird die Gleichmäßigkeit der Dicke der Abschnitte des Gateisolierfilmes, die an den Wänden der Gräben gebildet sind, verbessert und die Zuverlässigkeit des Gateisolierfilmes wird erhöht.
Bei der vergrabenen Halbleitereinrichtung und dem Herstellungsverfahren der vergrabenen Halbleitereinrichtung werden Stickstoffionen in den leitenden Film, der die Gräben füllt, implantiert. Daher wird die Diffusion einer Dotierung von dem Halbleitersubstrat in den Gateisolierfilm unterdrückt und die Verschlechterung der Eigenschaften des Gateisolierfilmes kann verhindert werden. Die Eigenschaften des vergrabenen MOS-Transistors werden somit verbessert.

Claims

Halbleitereinrichtung mit einem Halbleitersubstrat (30) und einem MOS-Gateaufbau mit zumindest einem Graben (7) in einer Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates (30), einem Isolierfilm (11), der an der Wand des Grabens (7) gebildet ist und sich auf die Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates (30) erstreckt, und einem leitenden Teil (12), das den Graben (7) füllt und sich auf den Isolierfilm (11) auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates (30) erstreckt, wobei die Grabenseitenwand des Halbleitersubstrates (30) als ein Kanal dient, der Isolierfilm (11) als ein Gateisolierfilm dient und das leitende Teil (12) als ein Gate dient, wobei eine Kondensatorfläche des Abschnittes des Isolierfilmes (11), der auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates (30) liegt, 50% oder mehr einer gesamten Kondensatorfläche des Isolierfilmes (11) beträgt.
Halbleitereinrichtung mit einem Halbleitersubstrat (30) und einem MOS-Gateaufbau mit zumindest einem Graben (7) in einer Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates (30), einem Isolierfilm (11), der an der Wand des Grabens (7) gebildet ist und sich auf die Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates (30) erstreckt, und einem leitenden Teil (12), das den Graben (7) füllt und sich auf den Isolierfilm (11) auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates (30) erstreckt, wobei die Grabenseitenwand des Halbleitersubstrates (30) als ein Kanal dient, der Isolierfilm (11) als ein Gateisolierfilm dient und das leitende Teil (12) als ein Gate dient, wobei eine Gaterandlänge des Abschnittes des Isolierfilmes (11), der außerhalb des Grabens (7) auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates (30) liegt, 60% oder mehr einer gesamten Gaterandlänge des Isolierfilmes (11) beträgt, wobei die gesamte Gaterandlänge auf die Summe des Abschnitts des Isolierfilms (11) auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates (30) und des Abschnitts an der Wand des Grabens (7) bezogen ist.
Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Dicke des Abschnittes des Isolierfilmes (11, 13) an dem oberen Abschnitt des Grabens (7) derart erhöht ist, das die Dicke des Abschnittes des leitenden Teiles (12, 14) an dem oberen Abschnitt des Grabens (7) reduziert ist.
Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Isolierfilm (11) kontinuierlich in den benachbarten Gräben (7) und auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates (30) dazwischen gebildet ist und das leitende Teil (12) kontinuierlich die benachbarten Gräben (7) füllend und sich auf dem Isolierfilm (11) auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates (30) dazwischen erstreckend gebildet ist.
Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2 wobei die Dicke des Abschnittes des Isolierfilmes (11) auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates (30) zumindest das Doppelt der Dicke des Abschnittes des Isolierfilmes (11) auf der Wand des Grabens (7) beträgt.
Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Isolierfilm (11) aus einem Zweischichtaufbau, der aus einem thermischen Oxidfilm und einem CVD-Film, der auf dem thermischen Oxidfilm gebildet ist, besteht, einem Zweischichtaufbau, der aus einem CVD-Film und einem thermischen Oxidfilm, der auf dem CVD-Film gebildet. ist, besteht, oder aus einem Dreischichtaufbau, der aus einem thermischen Oxidfilm, einem auf dem thermischen Oxidfilm gebildeten CVD-Film und einem auf dem CVD-Film gebildeten thermischen Oxidfilm besteht, ausgebildet ist.
Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der leitende Teil (12) implantierten Stickstoff enthält.
Halbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Halbleitersubstrat (30) ein Siliziumwafer ist, der Isolierfilm (11) ein Silizumdioxidfilm ist und das leitende Teil (12) aus Polysilizium gebildet ist.
Herstellungsverfahren einer Halbleitereinrichtung mit den Schritten: Bilden von Gräben in einer Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrates (30), Bilden eines Isolierfilmes (11) auf den Wänden der Gräben (7) und der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates (30), Bilden eines leitenden Filmes (12) in den Gräben (7) und über der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates (30) und Entfernen von Abschnitten des leitenden Filmes (12) in einem vorbestimmten Abstand zu den Gräben (7), wobei die Abschnitte des leitenden Filmes (12), die in den Gräben (7) gebildet sind, und die Abschnitte desselben, die an die Abschnitte in den Gräben (7) angrenzen, zurückgelassen werden, wobei der Isolierfilm (11) und der leitende Film (12) derart gebildet werden, daß eine Kondensatorfläche eines Abschnittes eines Kondensators, der einen Abschnitt des Isolierfilmes verwendet, der auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates (30) liegt, 50% oder mehr einer gesamten Kondensatorfläche des Kondensators, der den Isolierfilm (11) verwendet, beträgt, wobei die Grabenseitenwand des Halbleitersubstrates (30) als ein Kanal dient, der Isolierfilm (11) als ein Gateisolierfilm dient und das leitende Teil (12) als ein Gate dient.
Herstellungsverfahren einer Halbleitereinrichtung mit den Schritten: Bilden von Gräben in einer Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrates (30), Bilden eines Isolierfilmes (11) auf den Wänden der Gräben (7) und der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates (30), Bilden eines leitenden Filmes (12) in den Gräben (7) und über der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates (30) und Entfernen von Abschnitten des leitenden Filmes (12) in einem vorbestimmten Abstand zu den Gräben (7), wobei die Abschnitte des leitenden Filmes (12), die in den Gräben (7) gebildet sind, und die Abschnitte desselben, die an die Abschnitte in den Gräben (7) angrenzen, zurückgelassen werden, wobei der Isolierfilm (11) und der leitende Film (12) derart gebildet werden, daß eine Gaterandlänge eines Abschnittes des Isolierfilmes (11), der außerhalb der Gräben auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates (30) (7) liegt, 60% oder mehr einer gesamten Gaterandlänge des Isolierfilmes (11) beträgt, wobei die Grabenseitenwand des Halbleitersubstrates (30) als ein Kanal dient, der Isolierfilm (11) als ein Gateisolierfilm dient und das leitende Teil (12) als ein Gate dient, wobei die gesamte Gaterandlänge auf die Summe des Abschnitts des Isolierfilms (11) auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates (30) und des Abschnitts an der Wand des Grabens (7) bezogen ist.