(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2025162099
(43)【公開日】2025-10-27
(54)【発明の名称】半導体装置及び半導体装置の作製方法
(51)【国際特許分類】
   H10D  30/66        20250101AFI20251020BHJP        
   H10D  62/10        20250101ALI20251020BHJP        
   H10D  64/20        20250101ALI20251020BHJP        
【FI】
H01L29/78 652S 
H01L29/78 652F 
H01L29/78 652K 
H01L29/78 653C 
H01L29/78 652P 
H01L29/06 301F 
H01L29/06 301V 
H01L29/44 Y 
H01L29/78 652M 
【審査請求】未請求
【請求項の数】12
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2024065209
(22)【出願日】2024-04-15
(71)【出願人】
【識別番号】302062931
【氏名又は名称】ルネサスエレクトロニクス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100103894
【弁理士】
【氏名又は名称】家入  健
(72)【発明者】
【氏名】岸田  健
(72)【発明者】
【氏名】中沢  芳人
【テーマコード(参考)】
4M104
【Fターム(参考)】
4M104BB01
4M104FF06
4M104FF10
(57)【要約】
【課題】半導体チップ、ひいては半導体ウェハの反りを制御できる半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体チップの第1の主面に、平面視において一続きで第1の方向に延在する部分と第1の方向と異なる第2の方向に延在する部分を有するトレンチを備える、半導体装置を提供する。トレンチは、平面視において第1の方向に延在する部分と第2の方向に延在する部分の間に第1の方向及び第2の方向と異なる第3の方向に延在する部分を有し、第1の方向に延在する部分は、第3の方向に延在する部分と鈍角で交わり、第2の方向に延在する部分は、第3の方向に延在する部分と鈍角で交わっていてもよい。
【選択図】
図8
 
【特許請求の範囲】
【請求項1】
  半導体チップの第1の主面に、平面視において一続きで第1の方向に延在する部分と前記第1の方向と異なる第2の方向に延在する部分を有するトレンチを備える、半導体装置。
【請求項2】
  前記トレンチは、平面視において前記第1の方向に延在する部分と前記第2の方向に延在する部分の間に前記第1の方向及び前記第2の方向と異なる第3の方向に延在する部分を有し、
  前記第1の方向に延在する部分は、前記第3の方向に延在する部分と鈍角で交わり、
  前記第2の方向に延在する部分は、前記第3の方向に延在する部分と鈍角で交わる、請求項1に記載の半導体装置。
【請求項3】
  前記半導体装置は、スプリットゲート型のMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)である、請求項1に記載の半導体装置。
【請求項4】
  前記トレンチにフィールドプレートとゲート電極が形成される、請求項3に記載の半導体装置。
【請求項5】
  前記トレンチは、複数あり、
  複数の前記トレンチは、互いに平行に前記第1の方向に延在する部分と、前記第2の方向に延在する部分が配置される、請求項1に記載の半導体装置。
【請求項6】
  前記第1の主面の結晶面は{100}であり、
  ノッチまたはオリフラは、<110>方向であり、
  前記第1の方向は、前記ノッチまたは前記オリフラを正面から見て45°の角度であり、
  前記第2の方向は、前記ノッチまたは前記オリフラを正面から見て135°の角度である、請求項1に記載の半導体装置。
【請求項7】
  半導体チップの第1の主面に、平面視において一続きで第1の方向に延在する部分と前記第1の方向と異なる第2の方向に延在する部分を有するトレンチを形成する、半導体装置の作製方法。
【請求項8】
  前記トレンチは、平面視において前記第1の方向に延在する部分と前記第2の方向に延在する部分の間に前記第1の方向及び前記第2の方向と異なる第3の方向に延在する部分を有し、
  前記第1の方向に延在する部分は、前記第3の方向に延在する部分と鈍角で交わり、
  前記第2の方向に延在する部分は、前記第3の方向に延在する部分と鈍角で交わる、請求項7に記載の半導体装置の作製方法。
【請求項9】
  前記半導体装置は、スプリットゲート型のMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)である、請求項7に記載の半導体装置の作製方法。
【請求項10】
  前記トレンチにフィールドプレートとゲート電極が形成される、請求項9に記載の半導体装置の作製方法。
【請求項11】
  前記トレンチは、複数あり、
  複数の前記トレンチは、互いに平行に前記第1の方向に延在する部分と、第2の方向に延在する部分が配置される、請求項7に記載の半導体装置の作製方法。
【請求項12】
  前記第1の主面の結晶面は{100}であり、
  ノッチまたはオリフラは、<110>方向であり、
  前記第1の方向は、前記ノッチまたは前記オリフラを正面から見て45°の角度であり、
  前記第2の方向は、前記ノッチまたは前記オリフラを正面から見て135°の角度である、請求項7に記載の半導体装置の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
  本開示は半導体装置及び半導体装置の作製方法に関する。
【背景技術】
【0002】
  特許文献1には、トレンチにフィールドプレート電極とゲート電極が形成されたパワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
  しかし、トレンチが半導体チップ上で平行に一方向に並んで配置されるため、複数の半導体チップが形成された半導体ウェハが反ってしまうという問題があった。そこで本開示の目的は、半導体チップに一続きで第1の方向と第2の方向に延在するトレンチを形成し、反りを制御した半導体装置を提供することである。
【0005】
  その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【0006】
  一実施の形態によれば、半導体装置は、平面視において一続きで第1の方向に延在する部分と第2の方向に延在する部分を有するトレンチを備える。
【発明の効果】
【0007】
  前記一実施の形態によれば、半導体チップ、ひいては半導体ウェハの反りを制御できる半導体装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
            
            【
図2】関連する半導体装置の要部を示す拡大平面図である。
 
            【
図3】関連する半導体装置の要部を示す拡大平面図である。
 
            
            
            【
図6】関連する半導体装置のトレンチのレイアウトである。
 
            【
図7】関連する半導体装置のウェハ反りを示す図である。
 
            【
図8】実施の形態にかかる半導体装置のトレンチのレイアウトである。
 
          
【発明を実施するための形態】
【0009】
  実施の形態
  以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。しかしながら、特許請求の範囲にかかる発明を以下の実施の形態に限定するものではない。また、実施の形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。
【0010】
  また、本願において説明されるX方向、Y方向およびZ方向は、互いに交差し、互いに直交している。本願では、Z方向をある構造体の上下方向、高さ方向または厚さ方向として説明する。また、本願で用いられる「平面図」または「平面視」などの表現は、X方向およびY方向によって構成される面を「平面」とし、この「平面」をZ方向から見ることを意味する。
【0011】
(関連する半導体装置の構成と課題の説明)
  以下に
図1~
図5を用いて、関連する半導体装置100について説明する。また、
図6及び
図7を用いて、関連する半導体装置の課題を説明する。半導体装置100は、半導体素子としてトレンチゲート構造のMOSFETを含む。また、特に、関連するMOSFETは、ゲート電極GEおよびフィールドプレート電極FPを備えたスプリットゲート構造を成している。
 
【0012】
  図1は、半導体装置100である半導体チップの平面図である。
図1は、主に半導体基板SUBの上方に形成される配線パターンを示している。
図2は、
図1の一部を拡大した要部平面図である。
図3は、
図2の下方の構造体を示し、半導体基板SUBに形成されたトレンチゲートの構造を示している。
 
【0013】
  図1に示されるように、半導体装置100の大部分はソース電極(固定電位供給配線)SEで覆われている。ゲート配線GWは、半導体装置100の外周に沿って設けられ、平面視においてソース電極SEを囲んでいる。ここでは図示していないが、ソース電極SEおよびゲート配線GWは、ポリイミド膜などの保護膜で覆われている。保護膜の一部には開口部が設けられ、その開口部で露出しているソース電極SEおよびゲート配線GWが、ソースパッドSPおよびゲートパッドGPになる。ソースパッドSP上およびゲートパッドGP上に、ワイヤボンディングまたはクリップ(銅板)などの外部接続用部材が接続されることで、半導体装置100が、他の半導体チップまたは配線基板などに電気的に接続される。
 
【0014】
  また、半導体装置100は、領域1Aと、平面視において領域1Aを囲む領域2A、2A’とを含んでいる。領域1Aは、複数のMOSFETのような主要な半導体素子が形成されるセル領域である。領域2A、2A’は、ゲート電極GEにゲート配線GWを接続させるため等に用いられる外周領域である。
【0015】
  図3に示される孔CH1~CH3の位置関係は、
図2に示される孔CH1~CH3の位置関係と一致している。なお、領域2A’の構造は、領域2Aの構造を図面上で反転させたものとなる。従って、
図5のC-C断面のように、領域2A’の断面構造は、領域2Aの断面構造と同様のものとなる。
 
【0016】
  図3に示されるように、複数のトレンチTRが、Y方向に延在し、X方向において互いに隣接している。各トレンチTRのX方向における幅は、例えば1.5μm以上且つ1.8μm以下である。
 
【0017】
  トレンチTRの内部において、トレンチTRの下部にはフィールドプレート(固定電位電極)電極FPが形成され、トレンチTRの上部にはゲート電極GEが形成されている。従って、
図3では、ゲート電極GEが露出している。フィールドプレート電極FPおよびゲート電極GEは、トレンチTRに沿って、Y方向に延在している。
 
【0018】
  フィールドプレート電極FPの一部は、コンタクト部FPaを成している。コンタクト部FPaを構成するフィールドプレート電極FPは、領域1AのトレンチTRの内部において、トレンチTRの下部だけでなく、トレンチTRの上部にも形成されている。従って、
図3では、コンタクト部FPaが露出している。
 
【0019】
  コンタクト部FPaによって、ゲート電極GEは、領域2A側と領域2A’側とに分断されている。
【0020】
  以下に
図4および
図5を用いて、半導体装置100の断面構造について説明する。
図4は、
図3に示されるA-A線およびB-B線に沿った断面図である。
図5は、
図3に示されるC-C線およびD-D線に沿った断面図である。
 
【0021】
  まず、MOSFETの基本的な構造について、
図4のA-A断面を用いて説明する。半導体装置100は、上面および下面を有する半導体基板SUBを備える。半導体基板SUBは、低濃度のn型のドリフト領域NVを有する。ここでは、n型の半導体基板SUB自体がドリフト領域NVを構成している。なお、ドリフト領域NVは、n型のシリコン基板上に、エピタキシャル成長法によって燐(P)を導入しながら成長させたn型の半導体層であってもよい。本願では、そのようなn型のシリコン基板およびn型の半導体層からなる積層体も半導体基板SUBであるとして説明する。
 
【0022】
  半導体基板SUBには、半導体基板SUBの上面から所定の深さに達する複数のトレンチTR1が形成されている。各トレンチの深さは、例えば5μm以上且つ7μm以下である。トレンチTRの内部において、トレンチTRの下部には、絶縁膜IF1を介してフィールドプレート電極FPが形成されている。絶縁膜IF1の上面の位置は、フィールドプレート電極FPの上面の位置よりも低くなっている。絶縁膜IF1から露出しているフィールドプレート電極FPの上面および側面には、絶縁膜IF2が形成されている。また、トレンチTRの内部における半導体基板SUB上には、ゲート絶縁膜GIが形成されている。
【0023】
  トレンチTRの内部において、トレンチTRの上部には、ゲート電極GEが形成されている。ゲート電極GEは、絶縁膜IF2によってフィールドプレート電極FPから電気的に絶縁され、且つ、ゲート絶縁膜GIによって半導体基板SUBから電気的に絶縁されている。また、ゲート電極GEは、絶縁膜IF1から露出しているフィールドプレート電極FPと半導体基板SUBとの間にも、ゲート絶縁膜GIおよび絶縁膜IF2を介して形成されている。
【0024】
  ゲート電極GEの上面は、半導体基板SUBの上面よりも若干後退している。ゲート電極GEの一部の上面上には、ゲート絶縁膜GIに接するように、絶縁膜IF3が形成されている。
【0025】
  ゲート電極GEおよびフィールドプレート電極FPは、例えばn型の不純物が導入された多結晶シリコン膜からなる。絶縁膜IF1、絶縁膜IF2、絶縁膜IF3およびゲート絶縁膜GIは、例えば酸化シリコン膜からなる。
【0026】
  絶縁膜IF1の厚さは、絶縁膜IF2、絶縁膜IF3およびゲート絶縁膜GIの各々の厚さよりも厚くなっている。絶縁膜IF1の厚さは、例えば400nm以上且つ600nm以下である。絶縁膜IF2およびゲート絶縁膜の各々の厚さは、例えば50nm以上且つ80nm以下である。絶縁膜IF3の厚さは、例えば30nm以上且つ80nm以下である。
【0027】
  半導体基板SUBの上面側において、半導体基板SUBには、トレンチTRよりも浅くなるように、p型のボディ領域PBが形成されている。ボディ領域PBには、n型のソース領域NSが形成されている。ソース領域NSは、ドリフト領域NVよりも高い不純物濃度を有している。
【0028】
  半導体基板SUBの下面側において、半導体基板SUBには、n型のドレイン領域NDが形成されている。ドレイン領域NDは、ドリフト領域NVよりも高い不純物濃度を有している。半導体基板SUBの下面下には、ドレイン電極DEが形成されている。ドレイン電極DEは、例えばアルミニウム膜、チタン膜、ニッケル膜、金膜若しくは銀膜のような単層の金属膜、または、これらの金属膜を適宜積層させた積層膜からなる。
【0029】
  半導体基板SUBの上面上には、トレンチTRを覆うように、層間絶縁膜ILが形成されている。層間絶縁膜ILは、例えば酸化シリコン膜からなる。層間絶縁膜ILの厚さは、例えば700nm以上且つ900nm以下である。なお、層間絶縁膜ILは、薄い酸化シリコン膜と、リンを含む厚い酸化シリコン膜(PSG:Phospho Silicate Glass膜)との積層膜であってもよい。
【0030】
  層間絶縁膜IL中、ソース領域NS中およびボディ領域PB中には、孔CH1が形成されている。孔CH1の底部において、ボディ領域PBには、高濃度領域PRが形成されている。高濃度領域PRは、ボディ領域PBよりも高い不純物濃度を有する。
【0031】
  層間絶縁膜IL上には、ソース電極SEが形成されている。ソース電極SEは、孔CH1の内部に埋め込まれている。また、ソース電極SEは、ソース領域NS、ボディ領域PBおよび高濃度領域PRに電気的に接続され、これらにソース電位(固定電位)を供給する。
【0032】
  図3および
図5のC-C断面に示されるように、ゲート電極GEは、Y方向において、領域2A側の第1端部と、領域2A’側の第2端部とを含む。層間絶縁膜IL中には、孔CH2が形成されている。領域2A側の孔CH2は、ゲート電極GEの第1端部に平面視において重なるように形成され、領域2A’側の孔CH2は、ゲート電極GEの第2端部に平面視において重なるように形成されている。
 
【0033】
  なお、本明細書で説明する「ゲート電極GEの第1端部」とは、ゲート電極GEのうち、領域2Aの孔CH2が設けられる箇所であり、
図5のC-C断面のように、ソース領域NSが形成されていないボディ領域PBに隣接する箇所である。同様に、本明細書で説明する「ゲート電極GEの第2端部」とは、ゲート電極GEのうち、領域2A’の孔CH2が設けられる箇所であり、
図5のC-C断面のように、ソース領域NSが形成されていないボディ領域PBに隣接する箇所である。
 
【0034】
  層間絶縁膜IL上には、ゲート配線GWが形成されている。ゲート配線GWは、孔CH2の内部に埋め込まれている。また、ゲート配線GWは、ゲート電極GEに電気的に接続され、ゲート電極GEにゲート電位を供給する。
【0035】
  図3、
図4のB-B断面および
図5のD-D断面に示されるように、フィールドプレート電極FPの一部は、フィールドプレート電極FPのコンタクト部FPaを成している。コンタクト部FPaは、領域2A側(第1端部側)のゲート電極GEと、領域2A’側(第2端部側)のゲート電極GEとの間に位置するトレンチTRの内部において、トレンチTRの下部だけでなく、トレンチTRの上部にも形成されている。
 
【0036】
  また、コンタクト部FPa以外のフィールドプレート電極FPに接している絶縁膜IF1の上面の位置は、コンタクト部FPaに接している絶縁膜IF1の上面の位置よりも低くなっている。すなわち、A-A断面の絶縁膜IF1の上面の位置は、半導体基板SUBの上面から例えば700nm以上且つ900nm以下の深さに位置する。B-B断面の絶縁膜IF1の上面の位置は、半導体基板SUBの上面から例えば600nm以上且つ800nm以下の深さに位置する。
【0037】
  また、コンタクト部FPaの上面の位置は、半導体基板SUBの上面の位置よりも高くなっており、半導体基板SUBの上面から例えば200nm以上且つ400nm以下の高さに位置する。
【0038】
  連結部GEaは、X方向において、絶縁膜IF2を介してコンタクト部FPaの両側面上に形成されている。また、連結部GEaは、Y方向に延在し、領域2A側(第1端部側)のゲート電極GEと、領域2A’側(第2端部側)のゲート電極GEとを接続している。ゲート電極GEおよび連結部GEaは、一体化したn型の多結晶シリコン膜からなる。従って、連結部GEaにも、ゲート配線GWからゲート電位が供給される。また、連結部GEaは、絶縁膜IF3によって覆われている。
【0039】
  層間絶縁膜IL中には、孔CH3が形成されている。孔CH3は、コンタクト部FPaに平面視において重なるように形成されている。ソース電極SEは、孔CH3の内部に埋め込まれている。ソース電極SEは、フィールドプレート電極FPに電気的に接続され、フィールドプレート電極FPにソース電位を供給する。
【0040】
  また、ソース電極SEおよびゲート配線GWは、例えば、バリアメタル膜と、上記バリアメタル膜上に形成された導電性膜とからなる。上記バリアメタル膜は、例えば窒化チタン膜であり、上記導電性膜は、例えばアルミニウム膜である。
【0041】
  なお、ソース電極SEおよびゲート配線GWは、孔CH1~CH3内を埋め込むプラグ層と、層間絶縁膜IL上に形成された配線層とから構成されていてもよい。その場合、配線層は、上記バリアメタル膜および上記導電性膜から構成される。プラグ層は、窒化チタン膜のようなバリアメタル膜と、タングステン膜のような導電性膜とからなる。
【0042】
  このような半導体装置を、スプリットゲート型のMOSFETと呼ぶ。
【0043】
  図6は、関連する半導体装置のトレンチのレイアウトである。
図6の上図にあるように、関連する半導体装置のトレンチのレイアウトは、半導体チップ中で一方向に平行に複数並んでいる。
 
【0044】
  図7は、関連する半導体装置のウェハ反りを示す図である。
図7のウェハは、ノッチまたはオリフラに対して垂直にトレンチが配置されたウェハである。
図7に示されるように、ウェハの反り量はノッチに対して垂直な方向である0°が一番小さい。次に、ノッチに対して45°または135°の反り量が大きい。ノッチに対して90°の反り量が最も大きくなる。
 
【0045】
  このように、トレンチがノッチと平行に配置されると、ノッチに対して左右方向の反りが大きくなる。このため、ウェハ搬送などに影響し、生産性への悪影響がある可能性がある。
【0046】
  この問題を解決するために、
図6の下図にあるように、半導体チップ内に縦横2方向にトレンチを形成することが考えられる。しかしながら、
図6の上図と同じ面積のトランジスタを形成しようとすると、チップサイズが拡大し、生産性が下がる。
 
【0047】
(実施の形態にかかる半導体装置の説明)
  そこで、実施の形態にかかる半導体装置は、生産性を下げずに、ウェハの反りを制御するトレンチのレイアウトを提供する。
図8は、実施の形態にかかる半導体装置のトレンチのレイアウトである。
 
【0048】
  図8の上図に示されるように、実施の形態にかかる半導体装置は、半導体チップの第1の主面に、平面視において一続きで第1の方向に延在する部分と第1の方向と異なる第2の方向に延在する部分を有するトレンチを備える。例えば、半導体チップに対して対角線方向にトレンチを形成する。第1の方向がノッチに対して45°で、第2の方向が135°であってもよい。
 
【0049】
  また、
図8の下図に示されるように、トレンチは、平面視において第1の方向に延在する部分と第2の方向に延在する部分の間に第1の方向及び前記第2の方向と異なる第3の方向に延在する部分を有していてもよい。例えば第3の方向は、ノッチに対して0°であってもよい。このようにすると、第1の方向に延在する部分は、第3の方向に延在する部分と鈍角で交わる。また、第2の方向に延在する部分は、第3の方向に延在する部分と鈍角で交わる。
 
【0050】
  実施の形態にかかる半導体装置は、トレンチが、複数あり、複数のトレンチは、互いに平行に第1の方向に延在する部分と、第2の方向に延在する部分が配置されてもよい。複数のトレンチは、一続きで第1の方向に延在する部分と、第2の方向に延在する部分を有さなくてもよい。また、トレンチの長さが異なっていてもよい。1つの半導体チップの中に第1の方向に延在する部分と、第2の方向に延在する部分が配置されることが重要である。このためトランジスタを複数配置することができる。また、チップサイズを拡大することなく、ウェハの反りを制御することができる。
【0051】
  ここで、半導体装置の電気的性質について考慮する。関連する半導体装置において、ノッチに対して平行にトレンチが形成されていた理由は、表面が{100}面、ノッチが<100>方向のシリコンウェハを用いて、トレンチMOSFETのチャネルを{100}面にして電気的特性を向上させるためであった。
【0052】
  実施の形態にかかる半導体装置のように、ノッチに対して斜め45°にトレンチを形成する場合、第1の主面の結晶面は、{100}、ノッチは<110>方向、トレンチMOSFETのチャネルは{100}面であることが好ましい。すなわち、実施の形態にかかる半導体装置は、第1の主面の結晶面は{100}であり、第1の方向は、ノッチまたはオリフラを正面から見て45°の角度であり、第2の方向は、ノッチまたはオリフラを正面から見て135°の角度であることが好ましい。
【0053】
  本開示により、半導体チップ、ひいては半導体ウェハの反りを制御できる半導体装置を提供できる。また、半導体チップの第1の主面に、平面視において一続きで第1の方向に延在する部分と第1の方向と異なる第2の方向に延在する部分を有するトレンチを形成する、半導体装置の作製方法が提供される。
【0054】
  例えば、上記の実施の形態に係る半導体装置では、半導体基板、半導体層、拡散層(拡散領域)などの導電型(p型もしくはn型)を反転させた構成としてもよい。そのため、n型、及びp型の一方の導電型を第1の導電型とし、他方の導電型を第2の導電型とした場合、第1の導電型をp型、第2の導電型をn型とすることもできるし、反対に第1の導電型をn型、第2の導電型をp型とすることもできる。
【0055】
  以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【0056】
100  半導体装置、SUB  半導体基板、SE  ソース電極、GW  ゲート配線、GP  ゲートパッド、SP  ソースパッド、1A  領域、2A  領域、2A’  領域、TR  トレンチ、GE  ゲート電極、FP  フィールドプレート電極、FPa  コンタクト部、GEa  連結部、NV  ドリフト領域、GI  ゲート絶縁膜、IF1  絶縁膜、IF2  絶縁膜、IF3  絶縁膜、PB  ボディ領域、ND  ドレイン領域、DE  ドレイン電極、NS  ソース領域、CH1  孔、PR  高濃度領域、IL  層間絶縁膜、CH2  孔、CH3  孔