JP2004140039A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板表面に、トレンチ形成領域を露出させたシリコン酸化膜41を形成し、その上全面にシリコン窒化膜43を積層し、これをエッチバックしトレンチの上側の角部となる部分にのみサイドウォール窒化膜44を残し、シリコン酸化膜41とサイドウォール窒化膜44をマスクとしてトレンチ34を形成する。サイドウォール窒化膜44によりトレンチの上側の角部となる部分をマスクした状態で、トレンチ34の内壁のエッチングダメージを除去するため、還元性雰囲気でアニール処理をする。サイドウォール窒化膜44を除去後、トレンチ34の内側にゲート酸化膜35とゲート電極36を形成する。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、比較的高電圧で大電流を制御するパワーMOSFET(絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)やIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)などの半導体装置の製造方法に関し、特にトレンチ内に絶縁膜を介してゲート電極が埋め込まれたトレンチゲート構造を有する半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
図4は、トレンチゲート構造を有するパワーMOSFETの構成を模式的に示す断面図である。図4に示すように、ドレイン領域となる半導体基板11上に電界緩和領域12が形成され、さらにその上にベース領域13が形成されている。ベース領域13を貫通して電界緩和領域12に達するトレンチ14の内側にはゲート酸化膜15が形成され、さらにその内側は、ゲート電極16で埋められている。
【0003】
ベース領域13においてトレンチ14の外側には、ソース領域17が選択的に形成されている。ソース電極18は、ソース領域17およびベース領域13に接触しており、層間絶縁膜19によりゲート電極16から絶縁されている。ゲート電極16は、図示しないトレンチの終端領域において基板表面側に引き出されている。半導体基板11の裏面にはドレイン電極20が形成されている。
【0004】
トレンチゲート構造を有するトランジスタでは、オン状態のときにチャネルが、ベース領域13内においてトレンチ14の側壁に沿って縦方向に形成される。したがって、ゲート電極16の幅、すなわちトレンチ14の開口幅を縮めても、チャネル長を確保することができるので、高集積化を図ることができるという利点がある。
【0005】
しかし、トレンチ14を形成する際のエッチングのダメージによって、トレンチ14の側壁および底面に微小な凹凸が生じる。この凹凸は、オン状態のときのキャリア移動度を低下させて、トランジスタの駆動力の低下を招いたり、ゲート酸化膜との界面における界面準位密度を増加させて、ゲート酸化膜の信頼性の低下を招いたり、局所的なゲート酸化膜の薄膜化による耐圧の低下を招く原因となる。
【0006】
そこで、このエッチングによるダメージを除去するために、トレンチ14を形成した後、ゲート酸化膜を形成する前に、等方性エッチング等によりトレンチ14内を少しエッチングしてトレンチ14の内面を平滑化する方法や、1000℃以上の高温で酸化させてトレンチ14の内面を平滑化する方法が公知である。また、図5(a)に示すように、トレンチ開口パターンを有する絶縁膜21およびマスク材22を用いてトレンチ14を形成した後、図5(b)に示すように、マスク材22を除去し、水素還元性雰囲気でアニールをおこない、シリコンのマイグレーションによってトレンチ14の内面の凹凸をなくし、平滑化する方法が提案されている。
【0007】
なお、従来技術としては、下記特許文献1がある。
【0008】
【特許文献1】
特開2002−110782号公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、等方性エッチング等や高温での酸化によりトレンチ形成後のダメージを除去する方法では、トレンチ内壁のシリコンを削って平滑化しているため、トレンチ形成後にトレンチ14の開口幅が広がることになり、半導体装置の高集積化の妨げになるという問題点がある。一方、水素還元性雰囲気でのアニール処理では、シリコンのマイグレーション効果を利用しているため、トレンチ14の開口幅は広がらない。
【0010】
しかし、絶縁膜21が酸化膜である場合には、酸化膜とシリコンとの界面において、SiO2とSiとが反応し、SiOとなって昇華するため、図6に示すように、トレンチ14の上側の角部では、酸化膜(絶縁膜21)の後退とシリコンのマイグレーションの相互作用により、シリコンが尖った形状となる。そのため、この尖った部分23でゲート酸化膜が薄くなり、耐圧低下を引き起こすという問題点がある。
【0011】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、トレンチ形成後、ゲート酸化膜を形成する前に、トレンチの上側の角部が尖るのを防ぎながら、トレンチ形成時のダメージを除去するための水素還元性雰囲気でのアニール処理をおこなうことができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明にかかる半導体装置の製造方法は、半導体基板にトレンチを形成した後、前記トレンチの内側にゲート絶縁膜を形成する前に、前記トレンチの上側の角部をシリコン窒化膜でマスクした状態で、前記トレンチの内壁のエッチングダメージを除去するための、還元性雰囲気によるアニール処理をおこなうことを特徴とする。
【0013】
この発明によれば、還元性雰囲気によるアニール処理時に、トレンチの上側の角部がシリコン窒化膜によりマスクされているため、トレンチの上側の角部において、SiOが昇華する反応が起こるのを防ぐことができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
図1および図2は、本発明方法にしたがって製造されるパワーMOSFETの製造段階における様子を模式的に示す断面図である。まず、図1に示すように、ドレイン領域となる第1導電型の半導体基板31上に第1導電型の電界緩和領域32をエピタキシャル成長させた基板を用意し、これに第2導電型の不純物を注入、拡散させてベース領域33を形成する。
【0015】
ついで、熱酸化をおこなって、ベース領域33の表面に、マスク材となる酸化膜41を形成する。そして、酸化膜41上にフォトレジストを塗布し、露光および現像をおこなって、トレンチ開口パターンを有するレジストマスクを形成する。このレジストマスクを用いて異方性エッチングをおこない、基板表面上の酸化膜41を選択的に除去して、トレンチ形成領域42を露出させる。その後、レジストマスクを除去する(図1(a))。
【0016】
ついで、基板表面の全面、すなわち酸化膜41の露出面およびトレンチ形成領域42に、CVD法によりシリコン窒化膜43を、特に限定しないが、たとえば0.1μmの厚さに堆積する(図1(b))。つづいて、異方性エッチングによりシリコン窒化膜43のエッチバックをおこない、酸化膜41の側壁部分にのみシリコン窒化膜43を残し、サイドウォール窒化膜44を形成する。そして、異方性エッチングをおこなって、トレンチ34を形成する(図1(c))。ここで、サイドウォール窒化膜44は、トレンチエッチングの際のマスクとなるため、シリコン窒化膜43の厚さは、トレンチ34が得たい開口幅に応じて適宜選択される。
【0017】
たとえば、酸化膜41の幅を1.2μmとし、シリコン窒化膜43の厚さを0.1μm(両側で0.2μm)とすると、1μmの開口幅のトレンチ34が形成できる。ここで、シリコン窒化膜43の厚さだけを0.15μmに変えるとトレンチ34の開口幅は0.9μmとなり、厚さを0.2μmとすると0.8μmのトレンチ開口幅とすることができる。すなわち、トレンチ形成領域42を作るマスクを変えずともシリコン窒化膜の堆積膜厚のみを変えるだけで、トレンチ開口幅を任意に変えることができる。
【0018】
ついで、図2に示すように、水素還元性雰囲気でアニール処理をおこない、トレンチ34の側壁の凹凸を、シリコンのマイグレーション効果により平滑化するとともに、トレンチ34の底部の角部341を丸める(同図(a))。ここで、特に限定しないが、たとえば水素アニール時の圧力は1333.22〜101324.72Paであり、温度は950〜1100℃であり、水素濃度は1〜100%であり、アニール時間は5〜30秒である。この水素アニール時には、トレンチ34の上側の角部は、サイドウォール窒化膜44によりマスクされているため、酸化膜41とシリコンとの界面において、SiO2とSiとが反応してSiOとなって昇華する反応が起こらない。したがって、トレンチ34の上側の角部が、尖った形状となることはない。
【0019】
ついで、熱いH3PO4溶液を用いてサイドウォール窒化膜44を除去する。そして、熱酸化をおこなって、トレンチ34の内側にゲート酸化膜35を形成する。その後、CVD法により、ゲート電極36となる膜を堆積してトレンチ34を埋める。この膜は、たとえばリンをドープしたポリシリコン膜である。ついでCMP(化学機械研磨)法により、酸化膜41が露出するまでポリシリコン膜を研磨して平坦化する。さらに、所望のパターンのレジストマスクを形成し、エッチングをおこなって所定のゲート電極36を形成する(図2(b))。
【0020】
酸化膜41を除去した後、不純物の注入および拡散によりソース領域37を形成し、ゲート電極36とソース電極38とを絶縁するための層間絶縁膜39を形成する。そして、ソース領域37とベース領域33とに電気的に接続するソース電極38を形成する。また、ドレイン領域となる半導体基板31の裏面にドレイン電極40を形成する(図2(c))。このようにして、トレンチゲート構造を有するパワーMOSFETができあがる。
【0021】
なお、図2(a)に示すように、水素アニール処理により、トレンチ34の側壁の凹凸を平滑化するとともに、トレンチ34の底部の角部341を丸めた後、図2(b)に示すように、トレンチ34の内側にゲート電極36を形成する前に、つぎの工程を挿入してもよい。すなわち、水素アニールをおこない、熱いH3PO4溶液によりサイドウォール窒化膜44を除去する。そして、CVD法により酸化膜を堆積し、たとえばHF溶液によるウェットエッチングなどの等方性エッチングをおこなって、トレンチ34内に酸化膜45を、トレンチ34の開口端よりも少し低い位置まで埋め込む(図3(a))。
【0022】
ついで、950℃〜1100℃の温度で、たとえばドライ雰囲気で酸化処理をおこない、トレンチ34の上側の角部342を含む、シリコンの露出領域に薄い酸化膜46を成長させる。その際、酸化膜46の粘性流動によって、トレンチ34の上側の角部342が丸められる(図3(b))。また、この酸化処理時には、酸化種の拡散が律速となり、ほとんど酸化が起こらないので、トレンチ34の開口幅は広くならない。ついで、酸化膜41の所望の部分をレジストで覆い、HF溶液を用いて、トレンチ34内の酸化膜45、およびトレンチ34の上側の角部342を覆う薄い酸化膜46を除去する。その後、ゲート酸化膜35を形成する工程へすすみ、それ以降は上述した通りである。
【0023】
ここで、トレンチ34内に酸化膜45を、上述した高さ位置まで埋め込むためには、あらかじめ、CVD法により堆積された酸化膜について、HF溶液によるエッチングレートを求めておき、それに基づいてエッチング時間の管理をおこなえばよい。また、HF溶液を用いたエッチング時に、トレンチ34を形成する際のマスクであった基板表面の酸化膜41もエッチングされるが、あらかじめ、この酸化膜41の厚さを、そのエッチング量を見込んだ厚さとしておき、後の工程において不具合が起こらないようにしておく。また、トレンチ34の上側の角部342を薄い酸化膜46で覆う際に、ウェット酸化法を用いることもできる。その場合には、たとえば希釈パイロジェニック酸化のように、高温において酸化速度を抑えることができる雰囲気であるとよい。
【0024】
上述した実施の形態によれば、トレンチ34の上側の角部をサイドウォール窒化膜44でマスクしたことにより、トレンチ34の上側の角部が尖るのを防ぎながら、トレンチ形成時のダメージを除去するための水素アニールをおこなうことができる。したがって、トレンチ34の上側の角部でゲート酸化膜35が薄くなるのを防ぐことができるので、MOSFETの耐圧や信頼性などの電気的諸特性を改善することができる。
【0025】
以上において本発明は、トレンチゲート構造を有するパワーMOSFETに限らず、トレンチゲート構造を有するIGBTなど、トレンチゲート構造を有する半導体装置の製造に適用することができる。
【0026】
【発明の効果】
本発明によれば、還元性雰囲気によるアニール処理時に、トレンチの上側の角部がシリコン窒化膜によりマスクされているため、トレンチの上側の角部において、SiOが昇華する反応が起こるのを防ぐことができる。したがって、トレンチの上側の角部が尖るのを防ぎながら、還元性雰囲気によるアニール処理をおこなって、トレンチ形成時のダメージを除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明方法にしたがって製造されるパワーMOSFETの製造段階における様子を模式的に示す断面図である。
【図2】本発明方法にしたがって製造されるパワーMOSFETの製造段階における様子を模式的に示す断面図である。
【図3】本発明方法にしたがって製造されるパワーMOSFETの製造段階における様子を模式的に示す断面図である。
【図4】トレンチゲート構造を有するパワーMOSFETの構成を模式的に示す断面図である。
【図5】従来の水素還元性雰囲気でのアニール処理の前後の素子の様子を模式的に示す断面図である。
【図6】従来の水素還元性雰囲気でのアニール処理後の素子のトレンチ肩部を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
31 半導体基板
32 電界緩和領域
33 ベース領域
34 トレンチ
35 ゲート酸化膜
36 ゲート電極
41 酸化膜
42 トレンチ形成領域
43 シリコン窒化膜
44 サイドウォール窒化膜
45 酸化膜
Claims (4)
- 半導体基板にトレンチを形成した後、前記トレンチの内側にゲート絶縁膜を形成する前に、前記トレンチの上側の角部をシリコン窒化膜でマスクした状態で、前記トレンチの内壁のエッチングダメージを除去するための、還元性雰囲気によるアニール処理をおこなうことを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 半導体基板の表面に、シリコン酸化膜を積層し、異方性エッチングにより前記シリコン酸化膜を選択的に除去して、基板表面のトレンチ形成領域を露出させる工程と、
前記シリコン酸化膜および基板表面の露出部分の上にシリコン窒化膜を積層する工程と、
前記シリコン窒化膜を異方性エッチングにより、基板表面の前記トレンチ形成領域が露出するまでエッチバックし、トレンチの上側の角部となる部分に前記シリコン窒化膜を残す工程と、
前記シリコン酸化膜、およびトレンチの上側の角部となる部分に残った前記シリコン窒化膜をマスクとしてトレンチを形成する工程と、
トレンチの上側の角部となる部分に前記シリコン窒化膜を残した状態で、前記トレンチの内壁のエッチングダメージを除去するための、還元性雰囲気によるアニール処理をおこなう工程と、
残った前記シリコン窒化膜を除去する工程と、
前記トレンチの内側にゲート酸化膜およびゲート電極を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記シリコン窒化膜を除去した後に、前記トレンチの上側の角部となる部分が露出するように、前記トレンチ内を酸化膜で埋める工程と、
前記トレンチの上側の角部となる部分に露出するシリコンを熱酸化する工程と、
をさらに含むことを特徴とする請求項2に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記シリコン窒化膜の厚さを変えて、前記トレンチの開口幅を決めることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
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