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JP2008210994A - 横型mosfetおよびその製造方法 - Google Patents

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JP2008210994A
JP2008210994A JP2007046381A JP2007046381A JP2008210994A JP 2008210994 A JP2008210994 A JP 2008210994A JP 2007046381 A JP2007046381 A JP 2007046381A JP 2007046381 A JP2007046381 A JP 2007046381A JP 2008210994 A JP2008210994 A JP 2008210994A
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Abstract

【課題】本発明の課題は、トレンチゲート構造を備えた横型MOSFETにおいて、トレンチに沿って深く形成するn型ソース層およびドレイン層の厚さを十分確保できると共に、より大きなチャネル幅が得られ、その結果、オン抵抗を低減できる横型MOSFETおよびその製造方法を提供することである。
【解決手段】本発明の横型MOSFET100は、開口部に向かって広がる断面形状がT字状のトレンチ106を備え、トレンチ106深さとほぼ同じ深さのn型ソース層104およびn型ドレイン層105が形成され、基板表面(水平面)および段差面106c(水平面)に形成される高濃度層の厚さと、トレンチ106側面(垂直面)に形成される高濃度層の厚さとは、ほぼ同じ厚さ(t)に形成されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、トレンチゲート構造を備えた横型MOSFETおよびその製造方法に関する。
素子面積の増大を招くことなく、チャネル幅を大きくすることでオン抵抗を低減させる構成として、トレンチゲート構造を備えた横型MOSFETが提案されている。
従来のトレンチゲート構造を備えた横型MOSFETの一例の構成を図8,9に示す。
図8(a)は平面図であり、図8(b)はトレンチの形状を示す斜視図である。また、図9(a)は図8(a)のA−A線における断面図、図9(b)は図8(a)のB−B線における断面図である。尚、図8(a)は表面電極を取り除いた状態を示す。
図8,9において、10は従来の横型MOSFET、11はp型基板、12はn型高抵抗層、13はp型ウェル層、14はn型ソース層、15はn型ドレイン層、16はトレンチ、17はゲート絶縁膜、18はゲート電極、19はソース電極、20はドレイン電極である。
横型MOSFET10は、p型基板11上にn型高抵抗層12が形成されている。
また、n型高抵抗層12の所定領域には選択的にストライプ状のp型ウェル層13が形成されている。
そして、そのp型ウェル層13内の所定領域には選択的にストライプ状のn型ソース層14が形成されている。
また、n型高抵抗層12の所定領域にはp型ウェル層13と離間して、n型ソース層14と平行に、選択的にストライプ状のn型ドレイン層15が形成されている。
また、n型ドレイン層15の端部からn型高抵抗層12、p型ウェル層13およびn型ソース層14の端部に至る中間領域には、p型ウェル層13を貫通してn型高抵抗層12の途中の深さまで複数のトレンチ16が形成されている。
尚、各トレンチ16は、n型ソース層14およびn型ドレイン層15と直交方向にストライプ状の平面形状を有し、互いに平行に配置されている。
また、n型ソース層14とn型ドレイン層15との間の中間領域および各トレンチ16には、ゲート絶縁膜17を介して多結晶シリコンからなるゲート電極18が形成されている。
また、n型ソース層14上にはソース電極19が形成され、n型ドレイン層15上にはドレイン電極20が形成されている。
このような横型MOSFET10では、ドレイン/ソース間に所定電圧を加えた状態で、ゲート電圧をしきい値電圧以上にすると、ゲート電極18と対向する部分のp型ウェル層13がn型に反転し、チャネルchを形成する(図9(b)中、斜線領域)。
そして、このチャネルchを経由して、電子eがn型ソース層14からn型高抵抗層12を通ってn型ドレイン層15に流れる。
ここで、チャネルchは、基板表面だけでなくトレンチ16側面に沿って深さ方向にも形成されるため、そのぶんチャネル幅を長くできる。(例えば、特許文献1参照。)
次に、このような横型MOSFET10のトレンチ16の形成方法は、所定領域にn型ソース層14およびn型ドレイン層15となる高濃度層を形成した後、その基板上にトレンチ16となる領域を開口したレジストマスク(図示せず)を形成し、所定深さまでストレートに異方性エッチングを施して、図8(b)に示すように、断面矩形のトレンチ16を形成する。
しかしながら、上記の横型MOSFET10では、トレンチ16側面に沿った深さ方向のチャネルchのすべてが電子eの経路に有効に寄与するとは言えなかった。
なぜならば、せっかくチャネルchが深さ方向に形成されても、n型ソース層14およびn型ドレイン層15の深さがトレンチ16深さに比較して浅いと、図9(b)に示すように、ほとんどの電子eは深さ方向に迂回せず、n型ソース層14からほぼ直線的にn型ドレイン層15に向かって基板表面近傍を流れるからであった。
これに対して、第2の従来例として、図10に示すように、n型ソース層およびn型ドレイン層の深さをトレンチ深さよりも深く形成する構成が提案されている。
図10(a)は平面図であり、図10(b)は図10(a)のC−C線における断面図である。また、図10(a)は表面電極を取り除いた状態を示す。
図10において、30は従来の他の横型MOSFET、1は高抵抗半導体基板、3はゲート電極、4はn型ソース層、5はn型ドレイン層、6はゲート絶縁膜、7はp型ウェル層、8はトレンチである。
このような横型MOSFET30では、図10(b)に示すように、n型ソース層4およびn型ドレイン層5が深く形成されているため、トレンチ8側面に沿って深さ方向に形成されたチャネルchが電子eの経路に有効に寄与すると言うものであった。
尚、ここで、深いn型ソース層4およびn型ドレイン層5を形成する際には、深さ方向のイオン濃度分布の均一性を確保するためにトレンチ8側面から斜めイオン注入する方法が採用される。(例えば、特許文献2参照。)
特開平11−103058号公報 図1,図2 特開2006−19518号公報 図1(a),(c)
しかしながら、このような横型MOSFET30では、トレンチ8深さと共にn型ソース層4およびn型ドレイン層5の深さを深くすればするほど有効なチャネル幅が大きくなる格好となるが、以下の理由により、この深さには限界があった。
第1の理由は、チャネル幅をより大きくするためにn型ソース層4およびn型ドレイン層5の深さを深く形成しようとすると、それに伴って、斜めイオン注入の入射角θが小さくなっていき、例えば、図11に示すように、斜めイオン注入の入射角θ=30°では、基板表面(水平面)に対する入射角θ=30°に対してトレンチ側面(垂直面)に対する入射角θ=60°となり、両者の差異が大きくなった。
そして、その結果、基板表面(水平面)に形成される高濃度層の厚さ(t1)に比較して、トレンチ側面(垂直面)に形成される高濃度層の厚さ(t2)が薄くなり(t2<t1)、せっかく深さ方向にチャネルchが形成されても高濃度層からの電子eの供給量が不十分や不均一となったりして、深さ方向のチャネルchを十分、有効化できないおそれがあった。
また、第2の理由は、SOI基板(図示せず)のように基板途中に埋め込み酸化膜があるような場合もトレンチ深さをそれ以上深くできず、チャネル幅を深さ方向に大きくするには限界があった。
本発明の課題は、トレンチゲート構造を備えた横型MOSFETにおいて、トレンチに沿って深く形成するソース層およびドレイン層の厚さを十分確保できると共に、より大きなチャネル幅が得られ、その結果、オン抵抗を低減できる横型MOSFETおよびその製造方法を提供することである。
本発明の横型MOSFETは、開口部に向かって広がる断面形状を有するトレンチゲート構造を備えた横型MOSFETである。
本発明の横型MOSFETの製造方法は、
開口部に向かって広がるT字状の断面形状を有するトレンチゲート構造を備えた横型MOSFETの製造方法であって、
基板上に、上側トレンチとなる領域を開口したパターンを有する、第1犠牲膜およびその上のレジスト膜とからなる積層パターンを形成する工程と、
積層パターンをマスクとして所定深さまで異方性エッチングを施し、上側トレンチを形成する工程と、
レジスト膜を剥離した後、第2犠牲膜を形成しエッチバックして、第1犠牲膜の両側に第2犠牲膜からなるサイドウォールを形成する工程と、
第1犠牲膜およびサイドウォールをマスクとして所定深さまで異方性エッチングを施し、下側トレンチを形成する工程とを含む横型MOSFETの製造方法である。
本発明の横型MOSFETの他の製造方法は、
開口部に向かって広がるV字状の断面形状を有するトレンチゲート構造を備えた横型MOSFETの製造方法であって、
シリコン基板上に、トレンチとなる領域を開口したパターンのエッチングマスクを形成する工程と、
エッチングマスクをマスクとして、アルカリエッチング液を用いた結晶面異方性エッチングを施し、断面形状がV字状のトレンチを形成する工程とを含む横型MOSFETの製造方法である。
本発明の横型MOSFETおよびその製造方法によると、トレンチゲート構造を備えた横型MOSFETにおいて、トレンチに沿って深く形成するソース層およびドレイン層の厚さを十分確保できると共に、より大きなチャネル幅が得られ、その結果、オン抵抗を低減できる。
本発明は、トレンチゲート構造を備えた横型MOSFETにおいて、トレンチに沿って深く形成するソース層およびドレイン層の厚さを十分確保できると共に、より大きなチャネル幅が得られ、その結果、オン抵抗を低減できる横型MOSFETおよびその製造方法を提供するという目的を、開口部に向かって広がる断面形状を有するトレンチゲート構造を備えることで実現した。
本発明のトレンチゲート構造を備えた横型MOSFETの一例の構成を図1,2,5に示す。尚、図8,9と同一部分には同一符号を付す。
図1(a)は平面図であり、図1(b)はトレンチの形状を示す斜視図である。また、図2(a)は図1(a)のE−E線における断面図、図2(b)は図1(a)のF−F線における断面図である。図5はトレンチ部の断面図である。尚、図1(a)は表面電極を取り除いた状態を示す。
図1,2において、100は本発明の横型MOSFET、11はp型基板、12はn型高抵抗層、13はp型ウェル層、104はn型ソース層、105はn型ドレイン層、106はトレンチ、106aは下側トレンチ,106bは上側トレンチ、106cは段差面、17はゲート絶縁膜、18はゲート電極、19はソース電極、20はドレイン電極、w1は下側トレンチ幅、w2は段差面の幅、d1は下側トレンチ深さ、d2は上側トレンチ深さである。
横型MOSFET100は、p型基板11上にn型高抵抗層12が形成されている。
また、n型高抵抗層12の所定領域には選択的にストライプ状のp型ウェル層13が形成されている。
そして、そのp型ウェル層13内の所定領域には選択的にストライプ状のn型ソース層104が形成されている。
また、n型高抵抗層12の所定領域にはp型ウェル層13と離間して、n型ソース層104と平行に選択的にストライプ状のn型ドレイン層105が形成されている。
また、n型ドレイン層105の端部からn型高抵抗層12、p型ウェル層13およびn型ソース層104の端部に至る中間領域には、n型高抵抗層12およびp型ウェル層13の途中の深さまで複数のトレンチ106が形成されている。
尚、各トレンチ106は、n型ソース層104およびn型ドレイン層105と直交方向にストライプ状の平面形状を有し、互いに平行に配置されている。
また、n型ソース層104とn型ドレイン層105との間の中間領域および各トレンチ106には、ゲート絶縁膜17を介して多結晶シリコンからなるゲート電極18が形成されている。
また、n型ソース層104上にはソース電極19が形成され、n型ドレイン層105上にはドレイン電極20が形成されている。
ここで、図1(b)に示すように、トレンチ106の断面形状は開口部に向かって広がるT字状をしている。
即ち、幅狭の下側トレンチ106aと、それと中心軸を同じくして両サイドに段差面106cを有した幅広の上側トレンチ106bとの2段構成となっている。
尚、ここでは、トレンチの断面形状とはトレンチ長手方向に対して垂直面でカットした断面を指す。
また、下側トレンチ幅(w1),段差面の幅(w2),下側トレンチ深さ(d1),上側トレンチ深さ(d2)の関係は、w1=w2=d1=d2となっている。
ここで、チャネル幅は、トレンチ106の垂直方向の側面に沿って形成されるチャネル幅(長さ;2×(d1+d2))に加えて、段差面106c(水平方向)に沿ってもチャネル幅(長さ;2×w2)が形成されるため、そのぶん、トレンチ106深さをあまり深くすることなく、チャンネル幅を大きくできる。
また、トレンチ106深さとほぼ同じ深さのn型ソース層104およびn型ドレイン層105が形成されている。
また、図5に示すように、基板表面(水平面)および段差面106c(水平面)に形成される高濃度層の厚さと、トレンチ106の垂直面に形成される高濃度層の厚さとは、ほぼ同じ厚さ(t)に形成されている。
次に、このような横型MOSFET100のトレンチの製造方法を図3,4を参照して説明する。
図3,4は、各製造工程完了毎のデバイスのトレンチ部の断面図である。
先ず、図3(a)に示すように、p型基板11上に形成したn型高抵抗層12上に、酸化シリコン膜24,窒化シリコン膜25を形成後、第1犠牲膜としての多結晶シリコン膜26、およびレジスト膜27をこの順に形成して、フォトリソグラフィ法およびエッチングを用いて、上側トレンチとなる領域を開口した積層パターンを形成する。
ここで、パターン間隔は上側トレンチ106bの開口幅(w1+w2+w2)、パターン幅は隣接する素子間隔となるようにする。
次に、図3(b)に示すように、この積層パターンをマスクとして、所定深さ(上側トレンチ深さ(d2))まで異方性エッチングを施す。
これにより、上側トレンチ106bが形成される。
次に、レジスト膜27を剥離した後、図3(c)に示すように、窒化シリコン膜28を形成した後、その上に第2犠牲膜としての多結晶シリコン膜29を形成する。
次に、図4(d)に示すように、多結晶シリコン膜29をエッチバックして、多結晶シリコン膜26の両側にサイドウォール29aを形成する。
ここで、サイドウォール29a厚さは、段差面106cの幅(w2)となるようにする。
また、対向するサイドウォール29a間の距離が下側トレンチ106aの開口幅(w1)となるようにする。
その後、図4(e)に示すように、多結晶シリコン膜26、およびサイドウォール29aをマスクにして、所定深さ(下側トレンチ深さ(d1))まで異方性エッチングを施す。
尚、このエッチングでサイドウォール29aが残存した場合は、ウェットエッチングで完全に除去する。
これにより、下側トレンチ106aが形成される。
即ち、下側トレンチ106aと上側トレンチ106bの2段構造をした断面形状がT字状をしたトレンチ106が形成される。
ここで、下側トレンチ幅(w1),段差面の幅(w2),下側トレンチ深さ(d1),上側トレンチ深さ(d2)の関係は、w1=w2=d1=d2となるようにする。
このような寸法関係としておくと、図5に示すように、入射角θ=45°で一方のトレンチ開口端から入射したイオン(図中の破線矢印)が丁度、反対側のトレンチ側面の下端に注入でき、トレンチとほぼ同じ深さのソース層およびドレイン層が形成できる。
また、上記の入射角θ=45°のイオン注入を遮らない範囲で最大の段差面106c幅(w2)が得られ、そのぶんチャネル幅を水平方向に大きくできる。
その後、窒化シリコン膜25および酸化シリコン膜24をそれぞれエッチング除去した後、所定パターンのレジストマスク(図示せず)を形成し、n型高抵抗層12の所定領域にボロンなどのp型不純物を注入し、pウェル領域(図示せず)を形成する。
次に、図4(f)に示すように、所定パターンのレジストマスク(図示せず)を形成後、n型高抵抗層12の所定領域にリンなどのn型不純物を基板を回転させながら入射角θ=45°でイオン注入して、トレンチ106側面に沿って、トレンチ106深さとほぼ同じ深さのn型ソース層104およびn型ドレイン層(図示せず)を形成する。
このとき、基板表面(水平面)および段差面106c(水平面)に注入されるイオン入射角θと、トレンチ側面(垂直面)に注入されるイオン入射角θとは共に、45°となり、基板表面(水平面)および段差面106c(水平面)に形成される高濃度層の厚さと、トレンチ106側面(垂直面)に形成される高濃度層の厚さとをほぼ同じ厚さ(t)に形成できる。
その結果、電子eの供給量の均一性が確保でき、トレンチ106の側面全体に亘って有効なチャネルが得られる。
その後、所定厚さのゲート絶縁膜(図示せず)を形成した後、トレンチ106を多結晶シリコンで埋め込み、ゲート電極(図示せず)を形成して、トレンチゲート構造が完成する。
尚、上記では、犠牲膜を多結晶シリコン膜で形成することで説明したが、とくにこれに限るものではなく、CVD法によるSi酸化膜などであってもよい。
また、上記では、p型基板11上に横型MOSFET100を形成する構成で説明したが、ドレイン・ソース間の寄生容量を低減するために、基板途中に埋め込み酸化膜を有するSOI基板を用いてもよい。
このような横型MOSFET200の断面図を図6に示す。
SOI基板201の場合、埋め込み酸化膜201aがあるために、トレンチ深さを埋め込み酸化膜201aより深くできないという事情があるため、本発明のようにトレンチ途中に段差面106cを設けて、そのぶんチャネル幅を水平方向に大きくする構成は好適である。
次に、本発明の第2の実施例としての横型MOSFET300を図7に示す。
図7(a)はトレンチ部の斜視図である。断面形状がV字状をしたトレンチ301のV字角はα°となっている。
ここで、チャネル幅は、V字状を成す斜辺部となるため、そのぶんだけ、ストレート長さに比較して大きくなる。
このようなトレンチ301の製造方法は、図7(b)に示すように、シリコン基板上に、トレンチとなる領域を開口したパターンのエッチングマスク304を形成し、そのエッチングマスク304をマスクとして、アルカリエッチング液を用いた結晶面異方性エッチングを施して形成する。
また、このようなトレンチ301に対しては、図7(c)に示すように、入射角θ=45−α/4(°)で斜めイオン注入すると、基板表面(水平面)に対するイオン入射角と、トレンチ301側面(傾斜面)に対するイオン入射角とが等しくなり、均一な厚さ(t)の高濃度層302(ソース層およびドレイン層)が形成され好適である。
本発明は、トレンチに沿って深く形成するソース層およびドレイン層の厚さを十分確保できると共に、より大きなチャネル幅が得られるトレンチゲート構造を備えた横型MOSFETにおよびその製造方法に適用できる。
本発明の横型MOSFETの一例を示す平面図およびトレンチ形状の斜視図 図1(a)のE−E線における断面図、およびF−F線における断面図 本発明の横型MOSFETの製造方法の一例を示す断面図 本発明の横型MOSFETの製造方法の一例を示す断面図 本発明の横型MOSFETのトレンチ部の断面図 本発明の横型MOSFETをSOI基板に形成した構成を示す断面図 本発明の横型MOSFETの第2の実施例を示す断面図 従来の横型MOSFETの一例を示す平面図およびトレンチ形状の斜視図 図8(a)のA−A線における断面図、およびB−B線における断面図 従来の横型MOSFETの他の一例を示す平面図およびそのC−C線における断面図 従来の横型MOSFETのトレンチ部の断面図
符号の説明
1 高抵抗半導体基板
3,18 ゲート電極
4,14,104 n型ソース層
5,15,105 n型ドレイン層
6,17 ゲート絶縁膜
7,13 p型ウェル層
8,16,106 トレンチ
10 従来の横型MOSFET
11 p型基板
12 n型高抵抗層
19 ソース電極
20 ドレイン電極
24 酸化シリコン膜
25,28 窒化シリコン膜
26 第1犠牲膜としての多結晶シリコン膜
27 レジスト膜
29 第2犠牲膜としての多結晶シリコン膜
29a サイドウォール
30 従来の他の横型MOSFET
100 本発明の横型MOSFET
106a 下側トレンチ
106b 上側トレンチ
106c 段差面
200 SOI基板に形成した本発明の横型MOSFET
201 SOI基板
201a 埋め込み酸化膜
300 本発明の第2の実施例の横型MOSFET
301 断面形状がV字状のトレンチ
302 高濃度層
304 エッチングマスク
ch チャネル
d1 下側トレンチ深さ
d2 上側トレンチ深さ
e 電子
t1,t2,t 高濃度層の厚さ
w1 下側トレンチ幅
w2 段差面の幅
α V字角
θ,θ,θ 入射角

Claims (12)

  1. 開口部に向かって広がる断面形状を有するトレンチゲート構造を備えた横型MOSFET。
  2. T字状の断面形状を有する請求項1に記載の横型MOSFET。
  3. 前記T字状の寸法関係は、幅狭の下側トレンチの幅とそれと中心軸を同じくした幅広の上側トレンチの幅の寸法比が1:3であり、前記下側トレンチの深さと前記上側トレンチの深さの寸法比が1:1である請求項2に記載の横型MOSFET。
  4. V字状の断面形状を有する請求項1に記載の横型MOSFET。
  5. ソース層およびドレイン層の深さは前記トレンチと同じ深さである請求項1から4のいずれかに記載の横型MOSFET。
  6. SOI基板に形成された請求項1から5のいずれかに記載の横型MOSFET。
  7. 開口部に向かって広がるT字状の断面形状を有するトレンチゲート構造を備えた横型MOSFETの製造方法であって、
    基板上に、上側トレンチとなる領域を開口したパターンを有する、第1犠牲膜およびその上のレジスト膜とからなる積層パターンを形成する工程と、
    前記積層パターンをマスクとして所定深さまで異方性エッチングを施し、上側トレンチを形成する工程と、
    前記レジスト膜を剥離した後、第2犠牲膜を形成しエッチバックして、前記第1犠牲膜の両側に前記第2犠牲膜からなるサイドウォールを形成する工程と、
    前記第1犠牲膜および前記サイドウォールをマスクとして所定深さまで異方性エッチングを施し、下側トレンチを形成する工程とを含む横型MOSFETの製造方法。
  8. 斜めイオン注入法でソース層およびドレイン層を形成する工程を、さらに含む請求項7に記載の横型MOSFETの製造方法。
  9. 入射角θ=45°で斜めイオン注入する請求項8に記載の横型MOSFETの製造方法。
  10. 開口部に向かって広がるV字状の断面形状を有するトレンチゲート構造を備えた横型MOSFETの製造方法であって、
    シリコン基板上に、トレンチとなる領域を開口したパターンのエッチングマスクを形成する工程と、
    前記エッチングマスクをマスクとして、アルカリエッチング液を用いた結晶面異方性エッチングを施し、断面形状がV字状のトレンチを形成する工程とを含む横型MOSFETの製造方法。
  11. 斜めイオン注入法でソース層およびドレイン層を形成する工程を、さらに含む請求項10に記載の横型MOSFETの製造方法。
  12. 前記V字角αに対して、入射角θ=45−α/4(°)で斜めイオン注入する請求項11に記載の横型MOSFETの製造方法。
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