JP2005057142A - 半導体基板の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体基板にトレンチを形成し、その中に半導体をエピタキシャル成長させて並列pn接合構造を形成した後、平坦化処理によって基板表面を研磨する際の削り厚さの管理が容易であり、研磨後に面内膜厚均一性が高く、かつ汚染の少ない基板表面を得ること。
【解決手段】n型シリコン半導体基板11の表面にトレンチ形成パターンを有する酸化膜14を形成し、この酸化膜14をマスクとして半導体基板11に超接合用トレンチ16を形成し、エピタキシャル成長をおこなって超接合用トレンチ16をp型半導体17で埋める。その後、酸化膜14を研磨ストッパ膜として利用して、基板表面に生成したポリシリコン18を研磨し、その研磨面を酸化膜14の表面と面一にする。そして、酸化膜14を除去した後、再び基板表面を短時間、研磨して平坦化する。
【選択図】 図7

Description

この発明は、半導体基板の製造方法に関し、特に第1導電型の半導体基板に形成されたトレンチ内に第2導電型の半導体をエピタキシャル成長させることにより、n型半導体領域とp型半導体領域とが交互に繰り返し接合された構成の並列pn接合構造を有する半導体基板の製造方法に関する。
一般に、半導体素子は、電極が片面に形成された横型の素子と、両面に電極を有する縦型の素子に分類される。縦型半導体素子は、オン状態のときにドリフト電流が流れる方向と、オフ状態のときに逆バイアス電圧による空乏層が伸びる方向とが同じである。通常のプレーナ型のnチャネル縦型MOSFET(絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)では、高抵抗のn-ドリフト層の部分は、オン状態のときに、縦方向にドリフト電流を流す領域として働く。したがって、このn-ドリフト層の電流経路を短くすれば、ドリフト抵抗が低くなるので MOSFETの実質的なオン抵抗が下がるという効果が得られる。
その一方で、高抵抗のn-ドリフト層の部分は、オフ状態のときには空乏化して耐圧を高める。したがって、n-ドリフト層が薄くなると、Pベース領域とドリフト領域との間のpn接合から進行するドレイン−ベース間空乏層が広がる幅が狭くなり、シリコンの臨界電界強度に速く達するため、耐圧が低下してしまう。逆に、耐圧の高い半導体素子では、n-ドリフト層が厚いため、オン抵抗が大きくなり、損失が増えてしまう。このように、オン抵抗と耐圧との間には、トレードオフ関係がある。
このトレードオフ関係は、IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)やバイポーラトランジスタやダイオード等の半導体素子においても同様に成立することが知られている。また、このトレードオフ関係は、オン状態のときにドリフト電流が流れる方向と、オフ状態のときの空乏層の伸びる方向とが異なる横型半導体素子にも共通である。
上述したトレードオフ関係による問題の解決法として、ドリフト層を、不純物濃度を高めたn型ドリフト領域とp型仕切領域とを交互に繰り返し接合した構成の並列pn構造とした超接合半導体素子が公知である。(たとえば、特許文献1、特許文献2、特許文献3、特許文献4参照。)。このような構造の半導体素子では、並列pn構造の不純物濃度が高くても、オフ状態のときに、空乏層が、並列pn構造の縦方向に伸びる各pn接合から横方向に広がり、ドリフト領域全体を空乏化するため、高耐圧化を図ることができる。
超接合半導体素子を製造するにあたっては、上述した並列pn接合構造を有する半導体基板が用いられる。そのような半導体基板を低コストで、かつ高良品率で量産する方法として、n型半導体基板にトレンチを形成し、そのトレンチの内部をp型半導体よりなるエピタキシャル成長層で埋め込む方法が公知である(たとえば、特許文献5、特許文献6、特許文献7参照。)。この方法では、図13に示すように、p型半導体2のエピタキシャル成長が終了すると、半導体基板1の表面に1〜数μmの段差や、酸化膜3やポリシリコン4が残るため、基板表面を研磨して、酸化膜3やポリシリコン4を除去するとともに、平坦化する必要がある。
この平坦化処理に関して、上記特許文献5には、エピタキシャル成長後の基板表面をCMP(化学機械研磨)法により研磨することが記載されている。また、上記特許文献6には、トレンチを形成する際のマスク酸化膜を研磨ストッパ膜としてCMP法により基板表面の研磨をおこなうことが記載されている。CMP法以外にも、ドライエッチング法により基板表面をシリコンエッチングする方法が公知である。上記特許文献6または上記特許文献7には、トレンチを形成する際のマスク酸化膜を研磨ストッパ膜としてシリコンエッチングをおこなうことが記載されている。
欧州特許出願公開第0053854号明細書 米国特許第5216275号明細書 米国特許第5438215号明細書 特開平9−266311号公報 特開2000−340578号公報 特開2001−196573号公報 特開2001−168327号公報
MOSFET等のデバイスは、平坦化処理によって研磨された基板表面に形成される。そのため、研磨後の基板表面の汚染が少ないことが重要である。また、研磨により消失する基板表面の厚さ、すなわち削り厚さを管理し、基板表面における面内膜厚の均一性が高いことが重要である。しかし、上述した各特許文献ではこれらの点についてあまり触れられていない。また、MOSFET等の形成時に、MOSFET等のパターンと並列pn接合構造のパターンとの位置合わせを容易におこなうために、研磨後の基板表面にマスク合わせ用ターゲットを残す必要がある。そのためにも削り厚さの管理は重要である。しかし、これについても上述した各特許文献では触れられていない。
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、表面研磨時の削り厚さ管理が容易であり、研磨後に面内膜厚均一性が高く、かつ汚染の少ない基板表面が得られる半導体基板の製造方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項1の発明にかかる半導体基板の製造方法は、n型半導体領域とp型半導体領域とが交互に繰り返し接合された構成の並列pn接合構造を有する半導体基板を製造するにあたって、第1導電型の半導体基板の表面にトレンチ形成パターンを有する絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜をマスクとして前記半導体基板にトレンチを形成する工程と、第2導電型の半導体をエピタキシャル成長させて前記トレンチを埋める工程と、エピタキシャル成長による基板表面の生成物を研磨してその研磨面を前記絶縁膜の表面と面一にする第1の研磨工程と、前記絶縁膜を除去する工程と、基板表面を研磨して、絶縁膜除去により生じた凹凸を平坦化する第2の研磨工程と、を含むことを特徴とする。
この請求項1の発明によれば、第1の研磨工程で基板表面が、トレンチ形成用マスクである絶縁膜の表面と面一な平坦面となり、第2の研磨工程で、絶縁膜の除去により生じる基板表面の凹凸が平坦化されて、基板表面が平坦面となるので、最終仕上げとしておこなう第2の研磨工程に費やす時間は短時間で十分である。
また、請求項2の発明にかかる半導体基板の製造方法は、請求項1に記載の発明において、前記第1の研磨工程では、前記絶縁膜が研磨面に出現した時点で研磨を停止することを特徴とする。
この請求項2の発明によれば、前記絶縁膜を研磨ストッパ膜として利用することによって、第1の研磨工程における削り厚さを容易に管理することができる。
また、請求項3の発明にかかる半導体基板の製造方法は、請求項1または2に記載の発明において、前記第2の研磨工程では、研磨に費やす時間を管理しながら研磨することを特徴とする。
この請求項3の発明によれば、第2の研磨工程における削り厚さを研磨時間で容易に管理することができる。
また、請求項4の発明にかかる半導体基板の製造方法は、請求項1〜3のいずれか一つに記載の発明において、前記第1の研磨工程後、前記第2の研磨工程前に、半導体素子を形成するためのマスク合わせ用ターゲットとなるトレンチを形成することを特徴とする。
この請求項4の発明によれば、半導体基板にマスク合わせ用ターゲットが存在するので、半導体基板の表面に半導体素子を作製する際にマスク合わせを容易におこなうことができる。
また、上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項5の発明にかかる半導体基板の製造方法は、n型半導体領域とp型半導体領域とが交互に繰り返し接合された構成の並列pn接合構造を有する半導体基板を製造するにあたって、第1導電型の半導体基板の表面にトレンチ形成パターンを有する絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜をマスクとして前記半導体基板にトレンチを形成する工程と、第2導電型の半導体をエピタキシャル成長させて前記トレンチを埋める工程と、エピタキシャル成長による基板表面の生成物をエッチングして除去するエッチング工程と、前記絶縁膜を除去する工程と、基板表面を研磨して絶縁膜除去により生じた凹凸を平坦化する研磨工程と、を含むことを特徴とする。
この請求項5の発明によれば、エッチング工程で基板表面が平坦面となり、研磨工程で、絶縁膜の除去により生じる基板表面の凹凸が平坦化されて、基板表面が平坦面となるので、最終仕上げとしておこなう研磨工程に費やす時間は短時間で十分である。
また、請求項6の発明にかかる半導体基板の製造方法は、請求項5に記載の発明において、前記エッチング工程では、HClガスを供給しながらエッチングすることを特徴とする。
この請求項6の発明によれば、エピタキシャル成長時に基板表面に生成したポリシリコン等の生成物を除去することができる。
また、請求項7の発明にかかる半導体基板の製造方法は、請求項5または6に記載の発明において、前記エッチング工程では、エッチング処理に費やす時間を管理しながらエッチングすることを特徴とする。
この請求項7の発明によれば、エッチング工程における基板表面の除去厚さを処理時間で容易に管理することができる。
また、請求項8の発明にかかる半導体基板の製造方法は、請求項5〜7のいずれか一つに記載の発明において、前記研磨工程では、研磨に費やす時間を管理しながら研磨することを特徴とする。
この請求項8の発明によれば、研磨工程における削り厚さを研磨時間で容易に管理することができる。
また、請求項9の発明にかかる半導体基板の製造方法は、請求項5〜8のいずれか一つに記載の発明において、前記エッチング工程後、前記研磨工程前に、半導体素子を形成するためのマスク合わせ用ターゲットとなるトレンチを形成することを特徴とする。
この請求項9の発明によれば、半導体基板にマスク合わせ用ターゲットが存在するので、半導体基板の表面に半導体素子を作製する際にマスク合わせを容易におこなうことができる。
本発明にかかる半導体基板の製造方法によれば、最終仕上げとしておこなう研磨工程前に一旦、基板表面を平坦化しているため、最終仕上げとしておこなう研磨工程を短時間で終わらせることができる。したがって、この研磨工程の削り厚さ管理を研磨に費やす時間で容易に管理することができる。したがって、最終的に面内膜厚均一性が高く、汚染の少ない基板表面が得られるという効果を奏する。
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体基板の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。
実施の形態1.
図1〜図10は、本発明の実施の形態1による製造途中の半導体基板の概略を示す縦断面図である。まず、図1に示すように、低抵抗のn型シリコン半導体基板11を用意し、その表面に熱酸化法やCVD(化学気相成長)法などによりトレンチエッチング用の酸化膜12を形成する。なお、マスクは、酸化膜に限らず、窒化膜などの絶縁膜でもよい。
ついで、図2に示すように、図示しないマスクを用い、フォトリソグラフィー技術によって酸化膜12の、トレンチ形成領域上の部分を除去する。そして、残った酸化膜12をマスクとしてプラズマエッチングやRIE(反応性イオンエッチング)や異方性ウェットエッチング等の異方性エッチングによって、並列pn接合構造を形成する際のマスク合わせのターゲット(マーカ)となるトレンチ13を形成する。
ついで、図3に示すように、酸化膜12を除去した後、再度、n型シリコン半導体基板11の表面、並びにトレンチ13の側面および底面に熱酸化法やCVD法などによりトレンチエッチング用の厚い酸化膜(窒化膜などの絶縁膜でもよい)14を形成する。そして、図4に示すように、図4において図示しないマスクを用い、フォトリソグラフィー技術によって、酸化膜14の一部を除去し、n型シリコン半導体基板11の、並列pn接合構造を形成するための超接合用トレンチの形成領域15を露出させる。
ついで、図5に示すように、プラズマエッチングやRIEや異方性ウェットエッチング等の異方性エッチングをおこない、超接合用トレンチ16を形成する。一例として、600V耐圧のシリコンデバイスの場合、特に限定しないが、たとえば超接合用トレンチ16の開口幅は5μmであり、深さは50μm程度である。また、n型シリコン半導体基板11の不純物濃度は、たとえば5×1015〜1×1016cm-3程度である。
つづいて、希フッ酸やバッファードフッ酸などを用いて超接合用トレンチ16の内部を洗浄する。その後、プラズマエッチャーなどを用いてトレンチ内壁の結晶のダメージを除去する。プラズマエッチャー等を用いる代わりに、トレンチの内面に厚さが50nm以下の薄い犠牲酸化膜を形成し、この犠牲酸化膜をフッ酸で除去することによって結晶のダメージを除去してもよい。
ついで、図6に示すように、減圧エピタキシャル法等によりp型半導体のエピタキシャル成長をおこない、トレンチ内部にボイドを残さずに超接合用トレンチ16をp型半導体17で埋める。p型半導体17の不純物濃度は、たとえばn型シリコン半導体基板11とほぼ同じであるのがよい。ここでは減圧エピタキシャル法を用いているので、酸化膜14上にはエピタキシャル膜が成長しない。
しかし、酸化膜14の脇にポリシリコン18等の生成物が生じたり、エピタキシャル成長させたp型半導体17の表面が凹凸形状になってしまう。そこで、以下に説明するような基板表面の平坦化処理をおこなう。図7に示すように、まず、1回目の研磨をおこない、ポリシリコン18のうち酸化膜14の表面よりも高い部分をたとえばCMP(化学機械研磨)法により除去する。
一般に、CMP法によるシリコン半導体基板の研磨では、有機アルカリ等からなるスラリーを用い、化学的な作用を主として研磨をおこなう。そのため、研磨レートの選択比は、ポリシリコンと酸化膜との間で100以上の差がつくので、酸化膜はほとんど磨耗しない。したがって、基板表面の酸化膜14を研磨ストッパ膜として利用し、ポリシリコン18が研磨されてその研磨面が酸化膜14の表面と面一になった時点で研磨を停止すれば、図7に示すような平坦な表面が得られる。
ついで、図8に示すように、トレンチ13をさらに掘り下げて、半導体素子を形成するためのマスク合わせ用ターゲット(マーカ)となるトレンチ19を形成する。この2段目のトレンチ19を形成するには、平坦化された基板表面、並びにトレンチ13の側面および底面にフォトレジストを塗布し、図8において図示しないマスクを用い、フォトリソグラフィー技術によって酸化膜14の、トレンチ13の底部を覆う部分を露出させ、プラズマエッチングやRIEや異方性ウェットエッチング等の異方性エッチングをおこなう。あるいは、平坦化された基板表面、並びにトレンチ13の側面および底面に新たにマスク酸化膜を形成し、このマスク酸化膜をパターニングした後、上述した異方性エッチングをおこなうことによって2段目のトレンチ19を形成してもよい。
ついで、図9に示すように、フッ酸などを用いて酸化膜14を除去する。なお、新たに基板表面にマスク酸化膜を形成して2段目のトレンチ19を形成した場合には、そのマスク酸化膜も酸化膜14とともに除去する。これによって、基板表面にはシリコンとポリシリコンのみ、すなわちシリコン系の材料だけが露出していることになる。
ついで、図10に示すように、CMP法等による2回目の研磨をあらかじめ決められた短い時間だけおこない、トレンチ19を残した状態で基板表面を平坦な鏡面状態とする。研磨時間の設定にあたっては、あらかじめ実験等をおこなって適切な時間を求めておく。ここで、2回目の研磨における削り厚さは、たとえば2〜4μm程度である。ポリシリコン18の生成量やp型半導体17の表面の凹凸による段差が小さくなれば、2回目の研磨における削り厚さを1μmかそれ以下にすることも可能である。
上述したように実施の形態1によれば、1回目の研磨により基板表面を、トレンチ形成用マスクである酸化膜14の表面と面一な平坦面とし、2回目の研磨により、酸化膜14の除去により生じる基板表面の凹凸を平坦化するので、最終仕上げとしておこなう2回目の研磨に費やす時間を短い時間とすることができる。したがって、2回目の研磨工程の削り厚さ管理を研磨時間で容易に管理することができ、最終的に面内膜厚均一性が高く、汚染の少ない基板表面を有する半導体基板を製造することができる。
実施の形態2.
実施の形態2が実施の形態1と異なるのは、p型半導体17のエピタキシャル成長後、CMP法等によるポリシリコン18の研磨をおこなわずに、エピタキシャル成長炉内に基板を入れたまま炉内にHClガスを供給して、基板表面のポリシリコン18をエッチングして除去するようにしたことである。このエッチング処理では、時間管理によりエッチング量を管理する。エッチング時間の設定にあたっては、あらかじめ実験等をおこなって適切な時間を求めておく。また、基板表面の面内均一性が良好となるようなエッチング条件に設定する。
基板の製造開始からp型半導体17のエピタキシャル成長工程までは、実施の形態1と同じであり、図1〜図6に示す通りである。図11は、実施の形態2にしたがってポリシリコン18を除去した後の半導体基板の概略を示す縦断面図である。図11に示すように、ポリシリコン18とともに、p型半導体17の表面も少しエッチングされる。このエッチング処理後、実施の形態1と同様にして、2段目のトレンチ19を形成する。そして、酸化膜14を除去した後、図10に示すように、CMP法等による短時間の研磨によりトレンチ19を残した状態で基板表面を平坦な鏡面状態とする。
実施の形態2によれば、エッチング処理により基板表面のポリシリコン18を除去し、最終仕上げの研磨により基板表面の凹凸を平坦化するので、研磨に費やす時間を短い時間とすることができる。したがって、研磨工程の削り厚さ管理を研磨時間で容易に管理することができ、最終的に面内膜厚均一性が高く、汚染の少ない基板表面を有する半導体基板を製造することができる。また、実施の形態2には、研磨回数が1回で済むという利点と、研磨中にポリシリコン18の粒塊が剥離して基板表面を傷つけるおそれがないという利点と、研磨工程における削り厚さがおよそ酸化膜14の厚み分だけ薄く済むという利点がある。
以上において本発明は、上述した各実施の形態に限らず、種々変更可能である。たとえば、マスク合わせのためのターゲット(マーカ)は、ステッパによる認識が可能なものであればよいので、並列pn接合構造を形成する際のマスク合わせのターゲットとして、図12に示すように基板表面の酸化膜12に段差21を形成するだけでもよい。また、実施の形態において説明したターゲットの形成方法は一例であり、本発明はターゲットの形成方法については問わない。
また、超接合用トレンチ16を形成するためのマスクとなる酸化膜14を、その前に形成した酸化膜12の上に積層させてもよい。さらに、半導体素子を形成する際のマスク合わせのためのターゲット(マーカ)となるトレンチ19を、並列pn接合構造を形成する際のマスク合わせのターゲットとは異なる箇所に形成してもよい。また、上述した各実施の形態では、第1導電型をn型とし、第2導電型をp型として説明したが、その逆の場合も同様である。また、本発明は、シリコン半導体に限らず、たとえばSiCなどの化合物半導体にも適用可能である。
以上のように、本発明にかかる半導体基板の製造方法は、並列pn接合構造の耐圧構造を有するデバイスを製造する際に用いられる半導体基板の製造に有用であり、特に並列pn接合構造により高耐圧化と大電流容量化を両立させることができるMOSFET、IGBT、バイポーラトランジスタ、GTOサイリスタまたはダイオード等の製造に適している。
本発明の実施の形態1による製造途中の半導体基板の概略を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1による製造途中の半導体基板の概略を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1による製造途中の半導体基板の概略を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1による製造途中の半導体基板の概略を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1による製造途中の半導体基板の概略を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1による製造途中の半導体基板の概略を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1による製造途中の半導体基板の概略を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1による製造途中の半導体基板の概略を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1による製造途中の半導体基板の概略を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1により製造された半導体基板の一例を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態2による製造途中の半導体基板の概略を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1、2による製造途中の半導体基板の別の概略を示す縦断面図である。 並列pn接合構造を有する半導体基板のエピタキシャル成長後の基板表面の様子を示す縦断面図である。
符号の説明
11 第1導電型半導体基板(n型シリコン半導体基板)
14 絶縁膜(酸化膜)
16 トレンチ
17 第2導電型半導体(p型半導体)
18 基板表面の生成物(ポリシリコン)
19 マスク合わせ用ターゲットとなるトレンチ

Claims (9)

  1. n型半導体領域とp型半導体領域とが交互に繰り返し接合された構成の並列pn接合構造を有する半導体基板を製造するにあたって、
    第1導電型の半導体基板の表面にトレンチ形成パターンを有する絶縁膜を形成する工程と、
    前記絶縁膜をマスクとして前記半導体基板にトレンチを形成する工程と、
    第2導電型の半導体をエピタキシャル成長させて前記トレンチを埋める工程と、
    エピタキシャル成長による基板表面の生成物を研磨して当該研磨面を前記絶縁膜の表面と面一にする第1の研磨工程と、
    前記絶縁膜を除去する工程と、
    基板表面を研磨して、絶縁膜除去により生じた凹凸を平坦化する第2の研磨工程と、
    を含むことを特徴とする半導体基板の製造方法。
  2. 前記第1の研磨工程では、前記絶縁膜が研磨面に出現した時点で研磨を停止することを特徴とする請求項1に記載の半導体基板の製造方法。
  3. 前記第2の研磨工程では、研磨に費やす時間を管理しながら研磨することを特徴とする請求項1または2に記載の半導体基板の製造方法。
  4. 前記第1の研磨工程後、前記第2の研磨工程前に、半導体素子を形成するためのマスク合わせ用ターゲットとなるトレンチを形成することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の半導体基板の製造方法。
  5. n型半導体領域とp型半導体領域とが交互に繰り返し接合された構成の並列pn接合構造を有する半導体基板を製造するにあたって、
    第1導電型の半導体基板の表面にトレンチ形成パターンを有する絶縁膜を形成する工程と、
    前記絶縁膜をマスクとして前記半導体基板にトレンチを形成する工程と、
    第2導電型の半導体をエピタキシャル成長させて前記トレンチを埋める工程と、
    エピタキシャル成長による基板表面の生成物をエッチングして除去するエッチング工程と、
    前記絶縁膜を除去する工程と、
    基板表面を研磨して、絶縁膜除去により生じた凹凸を平坦化する研磨工程と、
    を含むことを特徴とする半導体基板の製造方法。
  6. 前記エッチング工程では、HClガスを供給しながらエッチングすることを特徴とする請求項5に記載の半導体基板の製造方法。
  7. 前記エッチング工程では、エッチング処理に費やす時間を管理しながらエッチングすることを特徴とする請求項5または6に記載の半導体基板の製造方法。
  8. 前記研磨工程では、研磨に費やす時間を管理しながら研磨することを特徴とする請求項5〜7のいずれか一つに記載の半導体基板の製造方法。
  9. 前記エッチング工程後、前記研磨工程前に、半導体素子を形成するためのマスク合わせ用ターゲットとなるトレンチを形成することを特徴とする請求項5〜8のいずれか一つに記載の半導体基板の製造方法。
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