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JP2009099872A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents

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JP2009099872A
JP2009099872A JP2007271776A JP2007271776A JP2009099872A JP 2009099872 A JP2009099872 A JP 2009099872A JP 2007271776 A JP2007271776 A JP 2007271776A JP 2007271776 A JP2007271776 A JP 2007271776A JP 2009099872 A JP2009099872 A JP 2009099872A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
gate
source
metal
trench
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2007271776A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yasuo Ebuchi
康男 江渕
Hitoshi Kobayashi
仁 小林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2007271776A priority Critical patent/JP2009099872A/en
Publication of JP2009099872A publication Critical patent/JP2009099872A/en
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device that has a gate metal and a source metal and is manufactured at low cost, and to provide a method of manufacturing the same. <P>SOLUTION: A structure includes: a configration in which a silicon substrate 2, a resistive layer 4, a channel layer 5, and a source layer 6 are laminated in the described order; a gate trench 8 that penetrates the source layer 6 and the channel layer 5 and reaches the resistive layer 4; a gate insulation film 11 that is formed on the inner surface of the gate trench 8; and a gate electrode 12 that is buried in a lower portion of the gate trench 8. In the structure, a source trench 9 that penetrates the source layer 6 and reaches the inside of the channel layer 5 is formed. Next, a metal film, in which a Ti layer 16, TiN layer 17, and W layer 18 are laminated in the described order, is formed over the entire surface of an element region. Then, the metal film is selectively removed so that it remains only on an upper portion of the inside of the gate trench 8 and in the inside of the source trench 9. This method forms a gate metal 13 and a source metal 15 at the same time by using the same type of metal. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、トレンチゲートが設けられた半導体装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device provided with a trench gate and a manufacturing method thereof.

従来より、縦形のMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:金属酸化物半導体電界効果トランジスタ)などの縦形の電力用半導体装置においては、セル面積を縮小し、オン抵抗を低減するために、チャネル層内に侵入するトレンチを形成し、このトレンチ内にポリシリコンを埋め込んで、ゲート電極を形成する技術が知られている。また、このゲート電極の抵抗を低減するために、ゲート電極の上部に金属部材(ゲートメタル)を埋め込む技術も知られている(例えば、特許文献1参照。)。   Conventionally, in a vertical power semiconductor device such as a vertical MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), in order to reduce the cell area and reduce the on-resistance, There is known a technique of forming a gate electrode by forming a trench that penetrates into the trench and burying polysilicon in the trench. In addition, in order to reduce the resistance of the gate electrode, a technique of embedding a metal member (gate metal) above the gate electrode is also known (see, for example, Patent Document 1).

一方、このような半導体装置においては、アバランシェ耐量を向上させるために、チャネル層に到達するようなトレンチを形成し、このトレンチの内部にソース電極に接続された金属部材(ソースメタル)を埋設する技術も開発されている。これにより、半導体装置内で発生したキャリアを効率的に排出することができ、アバランシェ耐量が向上する。   On the other hand, in such a semiconductor device, in order to improve the avalanche resistance, a trench reaching the channel layer is formed, and a metal member (source metal) connected to the source electrode is embedded in the trench. Technology is also being developed. Thereby, carriers generated in the semiconductor device can be efficiently discharged, and the avalanche resistance is improved.

しかしながら、ゲートメタル及びソースメタルを形成すると、工程数が増加し、半導体装置のコストが増大するという問題がある。   However, when the gate metal and the source metal are formed, there are problems that the number of processes increases and the cost of the semiconductor device increases.

特開2007−35841号公報JP 2007-35841 A

本発明の目的は、ゲートメタル及びソースメタルを備え、製造コストが低い半導体装置及びその製造方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a semiconductor device including a gate metal and a source metal and having a low manufacturing cost, and a manufacturing method thereof.

本発明の一態様によれば、第1導電型のドレイン層と、前記ドレイン層上に設けられた第2導電型のチャネル層と、前記チャネル層上に設けられた第1導電型のソース層と、前記ソース層を貫通し少なくとも前記チャネル層内に形成されたゲートトレンチと、前記ソース層を貫通し前記チャネル層に到達したソーストレンチと、前記ゲートトレンチの内面上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲートトレンチ内の下部に埋設されたゲート電極と、前記ゲートトレンチ内の上部に埋設されたゲートメタルと、前記ソーストレンチ内に埋設されたソースメタルと、を備え、前記ゲートメタルと前記ソースメタルとは、同じ種類の金属材料によって形成されていることを特徴とする半導体装置が提供される。   According to one aspect of the present invention, a first conductivity type drain layer, a second conductivity type channel layer provided on the drain layer, and a first conductivity type source layer provided on the channel layer. A gate trench penetrating the source layer and formed in at least the channel layer, a source trench penetrating the source layer and reaching the channel layer, and a gate insulating film formed on the inner surface of the gate trench A gate electrode embedded in a lower portion of the gate trench, a gate metal embedded in an upper portion of the gate trench, and a source metal embedded in the source trench, the gate metal and the A semiconductor device is provided in which the source metal is formed of the same kind of metal material.

本発明の他の一態様によれば、第1導電型のドレイン層上に第2導電型のチャネル層が形成され、前記チャネル層上に第1導電型のソース層が形成され、少なくとも前記チャネル層内に前記ソース層を貫通するゲートトレンチが形成され、前記ゲートトレンチの内面上にゲート絶縁膜が形成され、前記ゲートトレンチ内の下部にゲート電極が埋設された構造体について、前記ソース層を貫通して前記チャネル層内に到達するソーストレンチを形成する工程と、前記構造体上に金属材料からなるメタル膜を成膜する工程と、前記メタル膜を選択的に除去し、前記ゲートトレンチ内の上部及び前記ソーストレンチ内に残留させる工程と、を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。   According to another aspect of the present invention, a channel layer of the second conductivity type is formed on the drain layer of the first conductivity type, a source layer of the first conductivity type is formed on the channel layer, and at least the channel A structure in which a gate trench penetrating the source layer is formed in a layer, a gate insulating film is formed on an inner surface of the gate trench, and a gate electrode is embedded in a lower portion of the gate trench; Forming a source trench penetrating into the channel layer, forming a metal film made of a metal material on the structure, selectively removing the metal film, and And a step of remaining in the source trench. A method of manufacturing a semiconductor device is provided.

本発明によれば、ゲートメタル及びソースメタルを備え、製造コストが低い半導体装置及びその製造方法を実現することができる。   According to the present invention, a semiconductor device including a gate metal and a source metal and having a low manufacturing cost and a manufacturing method thereof can be realized.

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
図1は、本実施形態に係る半導体装置を例示する断面図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to this embodiment.

図1に示すように、本実施形態に係る半導体装置1においては、縦形のトレンチゲート型MOSFET(UMOS)が形成されている。すなわち、導電型が例えばN型の単結晶シリコンからなるシリコン基板2が設けられており、その上に、単結晶シリコンがエピタキシャル成長することにより、エピタキシャル層3が設けられている。エピタキシャル層3においては、導電型がN型でありシリコン基板2に接続された抵抗層4が設けられており、抵抗層4の上層部における素子領域、すなわち、半導体装置1において主として電流が流れる領域には、導電型がP型であるチャネル層5が形成されており、チャネル層5における上層部の一部には、導電型がN型であるソース層6が形成されている。シリコン基板2及び抵抗層4により、ドレイン層が形成されている。 As shown in FIG. 1, in the semiconductor device 1 according to the present embodiment, a vertical trench gate type MOSFET (UMOS) is formed. That is, a silicon substrate 2 made of, for example, N + type single crystal silicon is provided, and an epitaxial layer 3 is provided on the silicon substrate 2 by epitaxial growth of the single crystal silicon. Epitaxial layer 3 is provided with resistance layer 4 of N type conductivity type and connected to silicon substrate 2, and current mainly flows in the element region in the upper layer portion of resistance layer 4, that is, in semiconductor device 1. A channel layer 5 having a conductivity type of P type is formed in the region, and a source layer 6 having a conductivity type of N type is formed in a part of the upper layer portion of the channel layer 5. A drain layer is formed by the silicon substrate 2 and the resistance layer 4.

また、半導体装置1の素子領域には、エピタキシャル層3の上面側からソース層6及びチャネル層5を貫通して抵抗層4に到達する複数のゲートトレンチ8と、エピタキシャル層3の上面側からソース層6を貫通してチャネル層5に到達する複数のソーストレンチ9とが形成されている。上方から見て、ゲートトレンチ8及びソーストレンチ9は共にストライプ状であり、相互に平行且つ交互に配列されている。なお、ゲートトレンチ8は必ずしも抵抗層4に到達している必要はないが、少なくともチャネル層5内には形成されている必要がある。また、ソーストレンチ9の下端はチャネル層5内に位置している必要がある。   In the element region of the semiconductor device 1, a plurality of gate trenches 8 that penetrate the source layer 6 and the channel layer 5 from the upper surface side of the epitaxial layer 3 and reach the resistance layer 4, and a source from the upper surface side of the epitaxial layer 3 A plurality of source trenches 9 penetrating the layer 6 and reaching the channel layer 5 are formed. When viewed from above, the gate trenches 8 and the source trenches 9 are both striped and are arranged in parallel and alternately with each other. Note that the gate trench 8 does not necessarily reach the resistance layer 4 but needs to be formed at least in the channel layer 5. Further, the lower end of the source trench 9 needs to be located in the channel layer 5.

ゲートトレンチ8の内面上には、ゲート絶縁膜11が形成されている。ゲート絶縁膜11は、例えばONO膜(Oxide Nitride Oxide film:酸化物−窒化物−酸化物膜)である。また、ゲートトレンチ8内の下部には、例えばポリシリコンからなるゲート電極12が埋設されており、ゲートトレンチ8内の上部には、金属材料からなるゲートメタル13が埋設されている。ゲートメタル13はゲート電極12に接している。   A gate insulating film 11 is formed on the inner surface of the gate trench 8. The gate insulating film 11 is, for example, an ONO film (Oxide Nitride Oxide film: oxide-nitride-oxide film). A gate electrode 12 made of, for example, polysilicon is buried in the lower part of the gate trench 8, and a gate metal 13 made of a metal material is buried in the upper part of the gate trench 8. The gate metal 13 is in contact with the gate electrode 12.

更に、ゲート絶縁膜11とゲートメタル13との間には、保護絶縁膜14が介在している。保護絶縁膜14は、例えばシリコン窒化物(SiN)の単層からなり、従って、ONO膜からなるゲート絶縁膜11とは膜の構成が異なっている。ゲート電極12はゲート絶縁膜11によってエピタキシャル層3から絶縁されており、ゲートメタル13は保護絶縁膜14及びゲート絶縁膜11によってエピタキシャル層3から絶縁されている。従って、ゲートメタル13とエピタキシャル層3との間の距離は、ゲート電極12とエピタキシャル層3との間の距離よりも大きい。   Further, a protective insulating film 14 is interposed between the gate insulating film 11 and the gate metal 13. The protective insulating film 14 is made of, for example, a single layer of silicon nitride (SiN), and therefore has a film configuration different from that of the gate insulating film 11 made of an ONO film. The gate electrode 12 is insulated from the epitaxial layer 3 by the gate insulating film 11, and the gate metal 13 is insulated from the epitaxial layer 3 by the protective insulating film 14 and the gate insulating film 11. Therefore, the distance between the gate metal 13 and the epitaxial layer 3 is larger than the distance between the gate electrode 12 and the epitaxial layer 3.

また、図1に示す例では、ゲート電極12とゲートメタル13との界面は、チャネル層5とソース層6との界面よりも低い位置にあり、従って、チャネル層5内に位置している。但し、ゲート電極12とゲートメタル13との界面は、チャネル層5とソース層6との界面よりも高い位置にあってもよい。この場合は、ゲート電極12とゲートメタル13との界面は、ソース層6内に位置する。   In the example shown in FIG. 1, the interface between the gate electrode 12 and the gate metal 13 is located at a position lower than the interface between the channel layer 5 and the source layer 6, and thus is located in the channel layer 5. However, the interface between the gate electrode 12 and the gate metal 13 may be higher than the interface between the channel layer 5 and the source layer 6. In this case, the interface between the gate electrode 12 and the gate metal 13 is located in the source layer 6.

一方、ソーストレンチ9内には、金属材料からなるソースメタル15が埋設されている。ゲートメタル13の上面及びソースメタル15の上面は、ソース層6の上面と略一致している。すなわち、ゲートメタル13の上面、ソースメタル15の上面及びエピタキシャル層3の上面は、略同一平面を構成している。   On the other hand, a source metal 15 made of a metal material is embedded in the source trench 9. The upper surface of the gate metal 13 and the upper surface of the source metal 15 are substantially coincident with the upper surface of the source layer 6. That is, the upper surface of the gate metal 13, the upper surface of the source metal 15, and the upper surface of the epitaxial layer 3 constitute substantially the same plane.

そして、ゲートメタル13及びソースメタル15は、同じ種類の金属材料により形成されている。なお、本明細書において「金属材料」というときは、純金属の他に合金及び導電性を有する金属化合物も含まれる。例えば、ゲートトレンチ8内におけるゲート電極12の上面上及び保護絶縁膜14の側面上には、Ti(チタン)層16が形成されており、Ti層16上にはTiN(チタンナイトライド)層17が形成されており、TiN層17によって囲まれる空間には、W(タングステン層)18が埋設されている。そして、ゲートトレンチ8内に設けられたTi層16、TiN層17及びW層18により、ゲートメタル13が形成されている。一方、ソーストレンチ9の内面上にはTi層16が形成されており、このTi層16上にはTiN層17が形成されており、このTiN層17によって囲まれる空間にはW層18が埋設されている。そして、ソーストレンチ9内に設けられたTi層16、TiN層17及びW層18により、ソースメタル15が形成されている。   The gate metal 13 and the source metal 15 are made of the same type of metal material. In this specification, the term “metal material” includes alloys and conductive metal compounds in addition to pure metals. For example, a Ti (titanium) layer 16 is formed on the upper surface of the gate electrode 12 and the side surface of the protective insulating film 14 in the gate trench 8, and a TiN (titanium nitride) layer 17 is formed on the Ti layer 16. W (tungsten layer) 18 is buried in the space surrounded by the TiN layer 17. A gate metal 13 is formed by the Ti layer 16, the TiN layer 17, and the W layer 18 provided in the gate trench 8. On the other hand, a Ti layer 16 is formed on the inner surface of the source trench 9, a TiN layer 17 is formed on the Ti layer 16, and a W layer 18 is embedded in a space surrounded by the TiN layer 17. Has been. A source metal 15 is formed by the Ti layer 16, the TiN layer 17 and the W layer 18 provided in the source trench 9.

更に、エピタキシャル層3上におけるゲートトレンチ8の直上域を含む領域には、ゲートトレンチ8を覆うように、絶縁性の層間膜21が設けられている。層間膜21は、ソーストレンチ9の直上域には設けられていない。層間膜21は、例えば、TEOS(Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate:正珪酸四エチル(Si(OC2H5)4))を原料とするCVD法(Chemical Vapor Deposition法:化学気相成長法)により形成されたシリコン酸化膜である。 Furthermore, an insulating interlayer film 21 is provided in a region including the region immediately above the gate trench 8 on the epitaxial layer 3 so as to cover the gate trench 8. The interlayer film 21 is not provided immediately above the source trench 9. The interlayer film 21 is formed by, for example, a CVD method (Chemical Vapor Deposition method: chemical vapor deposition method) using TEOS (Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate: tetraethyl orthosilicate (Si (OC 2 H 5 ) 4 )) as a raw material. This is a silicon oxide film formed by the above.

更にまた、エピタキシャル層3上における素子領域の全体には、層間膜21を覆うように、TiWからなるTiW層22が設けられている。TiW層22の厚さは例えば0.2μmである。TiW層22上には、アルミニウム(Al)からなるAl層23が形成されている。Al層23の厚さは例えば3.8μmである。TiW層22及びAl層23により、厚さが例えば4.0μmのソース電極24が形成されている。すなわち、ソース電極24は、エピタキシャル層3上の全面に、層間膜21を覆うように形成されており、層間膜21の直上域及びソースメタル15の直上域を含む領域に設けられている。なお、TiW層22は、Al層23を形成するAlがエピタキシャル層3内に拡散することを防止するバリアメタルである。ソース電極24は、ソースメタル15及びソース層6に対して接続され、ゲートメタル13に対しては層間膜21により絶縁されている。一方、シリコン基板2の下面上には、ドレイン電極25が設けられている。   Furthermore, a TiW layer 22 made of TiW is provided over the entire element region on the epitaxial layer 3 so as to cover the interlayer film 21. The thickness of the TiW layer 22 is 0.2 μm, for example. An Al layer 23 made of aluminum (Al) is formed on the TiW layer 22. The thickness of the Al layer 23 is, for example, 3.8 μm. A source electrode 24 having a thickness of, for example, 4.0 μm is formed by the TiW layer 22 and the Al layer 23. That is, the source electrode 24 is formed on the entire surface of the epitaxial layer 3 so as to cover the interlayer film 21, and is provided in a region including a region directly above the interlayer film 21 and a region directly above the source metal 15. The TiW layer 22 is a barrier metal that prevents Al forming the Al layer 23 from diffusing into the epitaxial layer 3. The source electrode 24 is connected to the source metal 15 and the source layer 6, and is insulated from the gate metal 13 by the interlayer film 21. On the other hand, a drain electrode 25 is provided on the lower surface of the silicon substrate 2.

次に、上述の如く構成された本実施形態に係る半導体装置1の製造方法について説明する。
図2乃至図8は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を例示する工程断面図である。
先ず、図2に示すように、N型のシリコン基板2上に、N型のエピタキシャル層3を形成する。次に、エピタキシャル層3の上面側からエッチングを施し、素子領域に複数本のゲートトレンチ8を形成する。次に、ゲートトレンチ8の内面上及びエピタキシャル層3の上面上に、ONO膜からなるゲート絶縁膜11を形成する。次に、素子領域の全面にポリシリコンを堆積させる。その後、エッチバックすることにより、ポリシリコンをゲートトレンチ8内の下部のみに残留させる。これにより、ゲートトレンチ8内の下部にゲート電極12を形成する。
Next, a method for manufacturing the semiconductor device 1 according to this embodiment configured as described above will be described.
2 to 8 are process cross-sectional views illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to this embodiment.
First, as shown in FIG. 2, an N type epitaxial layer 3 is formed on an N + type silicon substrate 2. Next, etching is performed from the upper surface side of the epitaxial layer 3 to form a plurality of gate trenches 8 in the element region. Next, a gate insulating film 11 made of an ONO film is formed on the inner surface of the gate trench 8 and the upper surface of the epitaxial layer 3. Next, polysilicon is deposited on the entire surface of the element region. Thereafter, by etching back, polysilicon is left only in the lower part in the gate trench 8. Thereby, the gate electrode 12 is formed in the lower part in the gate trench 8.

次に、上方からエピタキシャル層3の素子領域にP型不純物、例えば、ボロン(B)をイオン注入し、エピタキシャル層3の上層部にチャネル層5を形成する。このとき、エピタキシャル層3のうちチャネル層5にならなかった部分が、抵抗層4となる。その後、エピタキシャル層3上に形成されたゲート絶縁膜11を除去する。   Next, a P-type impurity, for example, boron (B) is ion-implanted into the element region of the epitaxial layer 3 from above, and the channel layer 5 is formed in the upper layer portion of the epitaxial layer 3. At this time, the portion of the epitaxial layer 3 that did not become the channel layer 5 becomes the resistance layer 4. Thereafter, the gate insulating film 11 formed on the epitaxial layer 3 is removed.

次に、図3に示すように、素子領域に上方からN型不純物、例えば、ヒ素(As)をイオン注入し、チャネル層5の上層部の少なくとも一部にソース層6を形成する。これにより、N型のドレイン層(シリコン基板2及び抵抗層4)上にP型のチャネル層5が形成され、チャネル層5上にN型のソース層6が形成され、少なくともチャネル層5内にソース層6を貫通するゲートトレンチ8が形成され、ゲートトレンチ8の内面上にゲート絶縁膜11が形成され、ゲートトレンチ8内の下部にゲート電極12が埋設された構造体31が作製される。   Next, as shown in FIG. 3, an N-type impurity such as arsenic (As) is ion-implanted from above into the element region to form a source layer 6 in at least a part of the upper layer portion of the channel layer 5. As a result, a P-type channel layer 5 is formed on the N-type drain layer (silicon substrate 2 and resistance layer 4), an N-type source layer 6 is formed on the channel layer 5, and at least in the channel layer 5 A gate trench 8 penetrating the source layer 6 is formed, a gate insulating film 11 is formed on the inner surface of the gate trench 8, and a structure 31 in which the gate electrode 12 is embedded in the lower portion of the gate trench 8 is manufactured.

次に、図4に示すように、構造体31の素子領域の全面にプラズマCVD法によりSiNを堆積させてSiN膜を形成する。そして、このSiN膜を、RIE(Reactive Ion Etching:反応性イオンエッチング)又はウェットエッチングにより選択的に除去して、ゲートトレンチ8の直上域を含む領域に残留させる。これにより、単層のSiN膜からなる保護絶縁膜14が、ゲート絶縁膜11の露出部分を覆うように形成される。このとき、保護絶縁膜14は、ソーストレンチ9(図1参照)を形成する予定の領域には残留させないようにする。   Next, as shown in FIG. 4, SiN is deposited on the entire surface of the element region of the structure 31 by plasma CVD to form a SiN film. Then, the SiN film is selectively removed by RIE (Reactive Ion Etching) or wet etching to remain in a region including the region directly above the gate trench 8. Thereby, the protective insulating film 14 made of a single layer SiN film is formed so as to cover the exposed portion of the gate insulating film 11. At this time, the protective insulating film 14 is not left in a region where the source trench 9 (see FIG. 1) is to be formed.

次に、図5に示すように、ソース層6上の全面に、シリコン酸化物、例えばDTEOS(Densified Tetra Ethyl Ortho Silicate)を原料とするシリコン酸化物からなるハードマスク32を形成する。ハードマスク32の厚さは、例えば1.6乃至1.8μmとする。次に、このハードマスク32をパターニングして、ソーストレンチ9(図1参照)を形成する予定の領域に開口部32aを形成する。そして、このハードマスク32をマスクとしてエッチングを行い、エピタキシャル層3における開口部32aの直下域に相当する部分を選択的に除去し、ソーストレンチ9を形成する。ソーストレンチ9は、例えば、ゲートトレンチ8間の領域に形成する。   Next, as shown in FIG. 5, a hard mask 32 made of silicon oxide, for example, silicon oxide using DTEOS (Densified Tetra Ethyl Ortho Silicate) as a raw material is formed on the entire surface of the source layer 6. The thickness of the hard mask 32 is, for example, 1.6 to 1.8 μm. Next, the hard mask 32 is patterned to form an opening 32a in a region where the source trench 9 (see FIG. 1) is to be formed. Etching is then performed using the hard mask 32 as a mask to selectively remove a portion of the epitaxial layer 3 corresponding to the region immediately below the opening 32a, thereby forming the source trench 9. The source trench 9 is formed, for example, in a region between the gate trenches 8.

次に、図6に示すように、ウェットエッチングを施し、シリコン酸化物からなるハードマスク32(図示せず)を除去する。このとき、ONO膜からなるゲート絶縁膜11にもシリコン酸化物が含まれているが、ゲート絶縁膜11はシリコン窒化物からなる保護絶縁膜14により保護されているため、このウェットエッチングによってゲート絶縁膜11が損傷を受けることはない。次に、全面にRIEを施して、ソース層6の上面上及びゲート電極12の上面上に形成された保護絶縁膜14を除去する。このとき、ゲートトレンチ8の内側面上には、保護絶縁膜14が残留する。また、熱処理を施して、注入された不純物を活性化させる。   Next, as shown in FIG. 6, wet etching is performed to remove the hard mask 32 (not shown) made of silicon oxide. At this time, the gate insulating film 11 made of the ONO film also contains silicon oxide, but the gate insulating film 11 is protected by the protective insulating film 14 made of silicon nitride. The membrane 11 is not damaged. Next, RIE is performed on the entire surface, and the protective insulating film 14 formed on the upper surface of the source layer 6 and the upper surface of the gate electrode 12 is removed. At this time, the protective insulating film 14 remains on the inner side surface of the gate trench 8. Also, heat treatment is performed to activate the implanted impurities.

次に、図7に示すように、Ti/TiNブランケットW工程を実施する。すなわち、全面にTi層16を形成し、TiN層17を形成し、その後、W層18を形成する。Ti層16、TiN層17及びW層18(以下、総称して「メタル膜」ともいう)は、ソース層6上に堆積される他に、ゲートトレンチ8内におけるゲート電極12上及びソーストレンチ9内にも埋め込まれる。   Next, as shown in FIG. 7, a Ti / TiN blanket W step is performed. That is, the Ti layer 16 is formed on the entire surface, the TiN layer 17 is formed, and then the W layer 18 is formed. The Ti layer 16, the TiN layer 17, and the W layer 18 (hereinafter also collectively referred to as “metal film”) are deposited on the source layer 6, the gate electrode 12 and the source trench 9 in the gate trench 8. It is also embedded inside.

次に、図8に示すように、ソース層6上からメタル膜を除去し、ゲートトレンチ8内及びソーストレンチ9内のみに残留させる。これにより、ゲートトレンチ8内に残留したメタル膜、すなわち、Ti層16、TiN層17及びW層18からゲートメタル13が形成され、ソーストレンチ9内に残留したメタル膜からソースメタル15が形成される。   Next, as shown in FIG. 8, the metal film is removed from the source layer 6 and left only in the gate trench 8 and the source trench 9. As a result, the metal film remaining in the gate trench 8, that is, the gate metal 13 is formed from the Ti layer 16, the TiN layer 17 and the W layer 18, and the source metal 15 is formed from the metal film remaining in the source trench 9. The

次に、図1に示すように、TEOSを原料とするCVD法によりソース層6上の全面にシリコン酸化膜を成膜する。次に、RIEによりこのシリコン酸化膜を選択的に除去し、ゲートトレンチ8の直上域を含む領域に残留させて層間膜21を形成する。次に、ソース層6上の全面に、層間膜21を覆うように、厚さが例えば0.2μmのTiW層22を形成する。次に、例えばCVD法により、TiW層22上の全面に、厚さが例えば3.8μmのAl層23を形成する。これにより、TiW層22及びAl層23からなるソース電極24が形成される。一方、シリコン基板2の下面上に、金属材料からなるドレイン電極25を形成する。このようにして、半導体装置1が製造される。   Next, as shown in FIG. 1, a silicon oxide film is formed on the entire surface of the source layer 6 by a CVD method using TEOS as a raw material. Next, the silicon oxide film is selectively removed by RIE, and the interlayer film 21 is formed by remaining in a region including the region immediately above the gate trench 8. Next, a TiW layer 22 having a thickness of, for example, 0.2 μm is formed on the entire surface of the source layer 6 so as to cover the interlayer film 21. Next, an Al layer 23 having a thickness of, for example, 3.8 μm is formed on the entire surface of the TiW layer 22 by, eg, CVD. Thereby, the source electrode 24 composed of the TiW layer 22 and the Al layer 23 is formed. On the other hand, a drain electrode 25 made of a metal material is formed on the lower surface of the silicon substrate 2. In this way, the semiconductor device 1 is manufactured.

このようにして製造した半導体装置1においては、ゲートメタル13を介してゲート電極12に閾値電圧よりも高い電位が印加されることにより、チャネル層5におけるゲートトレンチ8に接する領域に反転層が形成される。これにより、オン状態となり、ドレイン電極25からシリコン基板2、抵抗層4、チャネル層5、ソース層6を介してソース電極24に電流が流れる。一方、ゲート電極12に閾値電圧よりも低い電位が印加されると、チャネル層5内の反転層が消え、オフ状態となる。また、オン状態のときに発生したキャリアは、オフ状態となったときには、ソースメタル15を介してソース電極24に速やかに排出される。   In the semiconductor device 1 manufactured in this manner, an inversion layer is formed in a region of the channel layer 5 in contact with the gate trench 8 by applying a potential higher than the threshold voltage to the gate electrode 12 through the gate metal 13. Is done. As a result, the transistor is turned on, and current flows from the drain electrode 25 to the source electrode 24 through the silicon substrate 2, the resistance layer 4, the channel layer 5, and the source layer 6. On the other hand, when a potential lower than the threshold voltage is applied to the gate electrode 12, the inversion layer in the channel layer 5 disappears and is turned off. Also, the carriers generated in the on state are quickly discharged to the source electrode 24 through the source metal 15 when the off state is established.

次に、本実施形態の作用効果について説明する。
本実施形態においては、図7に示す工程において、全面にメタル膜を成膜した後、図8に示す工程において、メタル膜をソース層6上から除去すると共に、ゲートトレンチ8内及びソーストレンチ9内に残留させることにより、ゲートメタル13及びソースメタル15を形成している。このように、ゲートメタル13及びソースメタル15を同一の工程により同時に形成しているため、製造コストを抑えることができる。
Next, the effect of this embodiment is demonstrated.
In the present embodiment, after a metal film is formed on the entire surface in the step shown in FIG. 7, the metal film is removed from the source layer 6 in the step shown in FIG. The gate metal 13 and the source metal 15 are formed by being left inside. Thus, since the gate metal 13 and the source metal 15 are simultaneously formed by the same process, manufacturing cost can be suppressed.

従って、本実施形態によれば、ゲートメタルが設けられているためゲート抵抗が低く、ソースメタルが設けられているためアバランシェ耐量が高く、微細化が容易で、ゲートメタル及びソースメタルを同一の工程で形成しているため製造コストが低い半導体装置を実現することができる。   Therefore, according to this embodiment, since the gate metal is provided, the gate resistance is low, and since the source metal is provided, the avalanche resistance is high, miniaturization is easy, and the gate metal and the source metal are formed in the same process. Therefore, a semiconductor device with low manufacturing cost can be realized.

また、本実施形態においては、ゲートメタル13とゲート絶縁膜11との間に保護絶縁膜14が残留しているため、ゲートメタル13とエピタキシャル層3との間の距離が、ゲート電極12とエピタキシャル層3との間の距離よりも大きい。これにより、耐圧を高めると共に、ゲート電圧をチャネル領域5のみに効果的に印加することができる。   In this embodiment, since the protective insulating film 14 remains between the gate metal 13 and the gate insulating film 11, the distance between the gate metal 13 and the epitaxial layer 3 is equal to that of the gate electrode 12 and the epitaxial layer 3. It is larger than the distance between the layers 3. Thereby, the breakdown voltage can be increased and the gate voltage can be effectively applied only to the channel region 5.

更に、本実施形態においては、図2に示す工程において、ゲートトレンチ8内に埋設されたポリシリコンのエッチバック量を調節することで、ゲート電極12とゲートメタル13との界面の位置を任意に制御することができる。例えば、この界面をソース層6内に位置させることもでき、また、チャネル層5内に位置させることもできる。これにより、半導体装置1の閾値電圧及び耐圧を任意に制御することができる。   Further, in the present embodiment, in the step shown in FIG. 2, the position of the interface between the gate electrode 12 and the gate metal 13 can be arbitrarily adjusted by adjusting the etch back amount of the polysilicon buried in the gate trench 8. Can be controlled. For example, this interface can be located in the source layer 6 or in the channel layer 5. Thereby, the threshold voltage and the withstand voltage of the semiconductor device 1 can be arbitrarily controlled.

更にまた、本実施形態においては、図4に示す工程において、ゲート絶縁膜11の露出部分を覆うようにシリコン窒化物からなる保護絶縁膜14を形成しているため、図6に示す工程において、シリコン酸化物からなるハードマスク32を除去したときに、シリコン酸化物を含むゲート絶縁膜11に損傷を与えることがない。   Furthermore, in the present embodiment, since the protective insulating film 14 made of silicon nitride is formed so as to cover the exposed portion of the gate insulating film 11 in the step shown in FIG. 4, in the step shown in FIG. When the hard mask 32 made of silicon oxide is removed, the gate insulating film 11 containing silicon oxide is not damaged.

更にまた、本実施形態においては、不純物を活性化させるための熱処理などの高温プロセスは、図6に示す工程までに終了させており、図7に示す工程以後は、温度が例えば420℃を超えるような高温プロセスは行っていない。これにより、ゲートメタル13及びソースメタル15に含まれるタングステン(W)が高温により収縮したり、Al層22に含まれるアルミニウム(Al)が溶融して移動したりすることがない。   Furthermore, in this embodiment, the high-temperature process such as heat treatment for activating the impurities is completed by the step shown in FIG. 6, and the temperature exceeds 420 ° C., for example, after the step shown in FIG. Such a high temperature process is not performed. Thereby, tungsten (W) contained in the gate metal 13 and the source metal 15 is not shrunk due to high temperature, and aluminum (Al) contained in the Al layer 22 is not melted and moved.

以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、前述の実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除若しくは設計変更、又は、工程の追加、削除若しくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。例えば、前述の実施形態において、ゲートトレンチの直下にN拡散層を設けてもよい。また、前述の実施形態においては、半導体装置がMOSFETである例を示したが、本発明はこれに限定されず、縦形のトレンチゲート構造を持つ半導体装置であれば適用可能であり、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)などにも適用可能である。 The present invention has been described above with reference to the embodiment. However, the present invention is not limited to this embodiment. For example, as long as a person skilled in the art adds, deletes, or changes a design, or adds, deletes, or changes a process as appropriate to the above-described embodiment, the gist of the present invention is included. , Within the scope of the present invention. For example, in the above-described embodiment, an N + diffusion layer may be provided immediately below the gate trench. In the above-described embodiment, an example in which the semiconductor device is a MOSFET has been described. However, the present invention is not limited to this, and can be applied to any semiconductor device having a vertical trench gate structure, for example, an IGBT. It can also be applied to (Insulated Gate Bipolar Transistor).

本発明の実施形態に係る半導体装置を例示する断面図である。1 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to an embodiment of the invention. 本実施形態に係る半導体装置の製造方法を例示する工程断面図である。6 is a process cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment; FIG. 本実施形態に係る半導体装置の製造方法を例示する工程断面図である。6 is a process cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment; FIG. 本実施形態に係る半導体装置の製造方法を例示する工程断面図である。6 is a process cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment; FIG. 本実施形態に係る半導体装置の製造方法を例示する工程断面図である。6 is a process cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment; FIG. 本実施形態に係る半導体装置の製造方法を例示する工程断面図である。6 is a process cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment; FIG. 本実施形態に係る半導体装置の製造方法を例示する工程断面図である。6 is a process cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment; FIG. 本実施形態に係る半導体装置の製造方法を例示する工程断面図である。6 is a process cross-sectional view illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment; FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 半導体装置、2 シリコン基板、3 エピタキシャル層、4 抵抗層、5 チャネル層、6 ソース層、8 ゲートトレンチ、9 ソーストレンチ、11 ゲート絶縁膜、12 ゲート電極、13 ゲートメタル、14 保護絶縁膜、15 ソースメタル、16 Ti層、17 TiN層、18 W層、21 層間膜、22 TiW層、23 Al層、24 ソース電極、25 ドレイン電極、31 構造体、32 ハードマスク、32a 開口部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor device, 2 Silicon substrate, 3 Epitaxial layer, 4 Resistance layer, 5 Channel layer, 6 Source layer, 8 Gate trench, 9 Source trench, 11 Gate insulating film, 12 Gate electrode, 13 Gate metal, 14 Protective insulating film, 15 source metal, 16 Ti layer, 17 TiN layer, 18 W layer, 21 interlayer film, 22 TiW layer, 23 Al layer, 24 source electrode, 25 drain electrode, 31 structure, 32 hard mask, 32a opening

Claims (5)

第1導電型のドレイン層と、
前記ドレイン層上に設けられた第2導電型のチャネル層と、
前記チャネル層上に設けられた第1導電型のソース層と、
前記ソース層を貫通し少なくとも前記チャネル層内に形成されたゲートトレンチと、
前記ソース層を貫通し前記チャネル層に到達したソーストレンチと、
前記ゲートトレンチの内面上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲートトレンチ内の下部に埋設されたゲート電極と、
前記ゲートトレンチ内の上部に埋設されたゲートメタルと、
前記ソーストレンチ内に埋設されたソースメタルと、
を備え、
前記ゲートメタルと前記ソースメタルとは、同じ種類の金属材料によって形成されていることを特徴とする半導体装置。
A drain layer of a first conductivity type;
A channel layer of a second conductivity type provided on the drain layer;
A source layer of a first conductivity type provided on the channel layer;
A gate trench penetrating the source layer and formed at least in the channel layer;
A source trench penetrating the source layer and reaching the channel layer;
A gate insulating film formed on the inner surface of the gate trench;
A gate electrode embedded in a lower portion of the gate trench;
A gate metal buried in the upper part of the gate trench;
A source metal embedded in the source trench;
With
The semiconductor device, wherein the gate metal and the source metal are formed of the same kind of metal material.
前記ゲート絶縁膜と前記ゲートメタルとの間に介在し、前記ゲート絶縁膜とは異なる構成の絶縁膜をさらに備えたことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。   2. The semiconductor device according to claim 1, further comprising an insulating film interposed between the gate insulating film and the gate metal and having a configuration different from that of the gate insulating film. 前記ゲートメタルの直上域を含む領域に設けられた絶縁性の層間膜と、
前記層間膜の直上域及び前記ソースメタルの直上域を含む領域に設けられたソース電極と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。
An insulating interlayer film provided in a region including the region directly above the gate metal;
A source electrode provided in a region including a region directly above the interlayer film and a region directly above the source metal;
The semiconductor device according to claim 1, further comprising:
第1導電型のドレイン層上に第2導電型のチャネル層が形成され、前記チャネル層上に第1導電型のソース層が形成され、少なくとも前記チャネル層内に前記ソース層を貫通するゲートトレンチが形成され、前記ゲートトレンチの内面上にゲート絶縁膜が形成され、前記ゲートトレンチ内の下部にゲート電極が埋設された構造体について、前記ソース層を貫通して前記チャネル層内に到達するソーストレンチを形成する工程と、
前記構造体上に金属材料からなるメタル膜を成膜する工程と、
前記メタル膜を選択的に除去し、前記ゲートトレンチ内の上部及び前記ソーストレンチ内に残留させる工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
A second conductivity type channel layer is formed on the first conductivity type drain layer, a first conductivity type source layer is formed on the channel layer, and at least the gate layer penetrates the source layer in the channel layer. And a source that penetrates the source layer and reaches the channel layer in a structure in which a gate insulating film is formed on the inner surface of the gate trench and a gate electrode is buried in the lower portion of the gate trench. Forming a trench;
Forming a metal film made of a metal material on the structure;
Selectively removing the metal film, and leaving the upper part in the gate trench and the source trench;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記構造体について、前記ゲート絶縁膜とは異なる構成の絶縁膜を前記ゲート絶縁膜の露出部分を覆うように形成する工程と、
前記ソース層上に、前記絶縁膜とは異なる材料により形成され、前記ソーストレンチを形成する予定の領域が開口されたハードマスクを形成する工程と、
前記ハードマスクを除去する工程と、
前記絶縁膜における前記ゲート電極の上面上に形成された部分を除去する工程と、
をさらに備え、
前記ソーストレンチを形成する工程は、前記ハードマスクをマスクとして前記ソース層及び前記チャネル層に対してエッチングを施す工程を有することを特徴とする請求項4記載の半導体装置の製造方法。
Forming an insulating film having a configuration different from that of the gate insulating film so as to cover an exposed portion of the gate insulating film with respect to the structure;
Forming a hard mask formed on the source layer by a material different from the insulating film and having an opening in a region where the source trench is to be formed;
Removing the hard mask;
Removing a portion of the insulating film formed on the upper surface of the gate electrode;
Further comprising
5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the step of forming the source trench includes a step of etching the source layer and the channel layer using the hard mask as a mask.
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