JP2007096137A - Manufacturing method for semiconductor substrate, and epitaxial growth apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体基板の製造方法およびエピタキシャル成長装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor substrate manufacturing method and an epitaxial growth apparatus.
従来のMOSトランジスタに比較して、低オン抵抗を実現する素子として、スーパージャンクション構造のMOSトランジスタ(SJ−MOSトランジスタ)が知られている(例えば、特許文献1)。このSJ−MOSトランジスタはドリフト層領域における繰り返しのpnコラム構造が特徴であり、このpnコラムを形成するために複数の方法が提案されているが、その中で深さ方向の濃度分布を均一にできる方法として、基板にトレンチを形成した後に、LP−CVDによりトレンチ内をエピタキシャル成長する方法が知られている。 A super junction structure MOS transistor (SJ-MOS transistor) is known as an element that realizes a low on-resistance compared to a conventional MOS transistor (for example, Patent Document 1). This SJ-MOS transistor is characterized by a repetitive pn column structure in the drift layer region, and a plurality of methods have been proposed to form this pn column, but the concentration distribution in the depth direction is made uniform among them. As a possible method, there is known a method of epitaxially growing the trench by LP-CVD after forming the trench in the substrate.
一般的なLP−CVDによるトレンチ埋め込みでは開口部における成長速度が底部に比較して大きいために、開口部塞がりによりトレンチ内にボイドが形成されやすい。シラン系ガスとエッチングガスを同時に流すことによってトレンチ開口部が先に塞がるのを抑制することができる(特許文献2)。
ところが、トレンチ埋め込みエピ工程後にはトレンチに起因する段差が形成されるため、平坦化のためのエピタキシャル成長を行ったり研磨をする必要がある。
本発明はこのような背景の下になされたものであり、その目的は、ボイドの発生を抑制しつつトレンチをエピタキシャル膜で埋め込んだ後の基板平坦化を容易に行うことができる半導体基板の製造方法およびエピタキシャル成長装置を提供することにある。
However, since a step due to the trench is formed after the trench embedding epi process, it is necessary to perform epitaxial growth for planarization or polishing.
The present invention has been made under such a background, and an object of the present invention is to manufacture a semiconductor substrate that can be easily flattened after the trench is filled with an epitaxial film while suppressing the generation of voids. It is to provide a method and an epitaxial growth apparatus.
請求項1に記載の発明によれば、第2工程において、シリコンソースガスとハロゲン化物ガスの混合ガスの供給に伴うエピタキシャル成長によりトレンチ内を含めたシリコン基板の主表面上にエピタキシャル膜が成膜されてトレンチの内部がエピタキシャル膜で埋め込まれる。この埋め込みではハロゲン化物ガスの供給によりボイドの発生が抑制される。また、第3工程においては、平坦化のために、第2工程での埋込用のエピタキシャル膜の上に、エピタキシャル膜が、第2工程におけるシリコン基板の主表面でのエピタキシャル膜の成長速度よりも速い条件下で成膜され、スループットが向上する。 According to the first aspect of the present invention, in the second step, the epitaxial film is formed on the main surface of the silicon substrate including the inside of the trench by the epitaxial growth accompanying the supply of the mixed gas of the silicon source gas and the halide gas. Then, the inside of the trench is filled with an epitaxial film. In this embedding, the generation of voids is suppressed by supplying the halide gas. Further, in the third step, for planarization, the epitaxial film is formed on the main surface of the silicon substrate in the second step on the epitaxial film for embedding in the second step. The film is formed under fast conditions, and the throughput is improved.
これにより、ボイドの発生を抑制しつつトレンチをエピタキシャル膜で埋め込んだ後の基板平坦化を容易に行うことができる。
ここで、請求項1に記載の半導体基板の製造方法において、請求項2に記載のように、第3工程において、前記第2工程におけるシリコン基板の主表面でのエピタキシャル膜の成長速度よりも速い条件下でエピタキシャル膜を成膜した後に、シリコン基板の主表面側の前記エピタキシャル膜を研磨してもよい。
As a result, the substrate can be easily flattened after the trench is filled with the epitaxial film while suppressing the generation of voids.
Here, in the method for manufacturing a semiconductor substrate according to
また、請求項1または2に記載の半導体基板の製造方法において、第3工程においてエピタキシャル膜を第2工程におけるシリコン基板の主表面でのエピタキシャル膜の成長速度よりも速い条件下で成膜すべく、請求項3に記載のように、ハロゲン化物ガスの流量を、第2工程におけるエピタキシャル成長時に比べ第3工程におけるエピタキシャル成長時に少なくしたり、請求項4に記載のように、ハロゲン化物ガスを第3工程におけるエピタキシャル成長時には流さないようにしたり、請求項5に記載のように、シリコンソースガスの流量を、第2工程におけるエピタキシャル成長時に比べ第3工程におけるエピタキシャル成長時に多くしたり、請求項6に記載のように、成長温度を、第2工程におけるエピタキシャル成長時に比べ第3工程におけるエピタキシャル成長時に高くしたり、請求項7に記載のように、成長圧力を、第2工程におけるエピタキシャル成長時に比べ第3工程におけるエピタキシャル成長時に高くするとよい。
3. The method of manufacturing a semiconductor substrate according to
また、請求項1または2に記載の半導体基板の製造方法において、請求項8に記載のように、第2工程のエピタキシャル成長と第3工程のエピタキシャル成長は共に減圧CVDで行うようにしてもよい。また、請求項1または2に記載の半導体基板の製造方法において、請求項9に記載のように、第2工程でのエピタキシャル成長は減圧CVD成長方法で行うとともに、第3工程でのエピタキシャル成長は常圧CVD成長方法で行うようにしてもよい。
In the method for manufacturing a semiconductor substrate according to claim 1 or 2, as described in claim 8, both the epitaxial growth in the second step and the epitaxial growth in the third step may be performed by low pressure CVD. Further, in the method for manufacturing a semiconductor substrate according to
請求項1または2に記載の半導体基板の製造方法において、請求項10に記載のように、第3工程においてエピタキシャル膜を第2工程におけるシリコン基板の主表面でのエピタキシャル膜の成長速度よりも速い条件下で成膜すべく、第2工程でのエピタキシャル成長が終了した後に、第3工程でのエピタキシャル成長に切り替える際に、ハロゲン化物ガスの流量、シリコンソースガスの流量、成長温度、成長圧力の各パラメータのうちの少なくとも2つ以上を同時に高成長速度条件となるように切り替えるようにしてもよい。
3. The method of manufacturing a semiconductor substrate according to
請求項1または2に記載の半導体基板の製造方法において、請求項11に記載のように、第2工程でのエピタキシャル成長中に、ハロゲン化物ガスの流量、シリコンソースガスの流量、成長温度、成長圧力の各パラメータのうちの少なくとも1つを徐々に高成長速度条件となるように調整するようにしてもよい。
3. The method of manufacturing a semiconductor substrate according to
請求項1〜11のいずれか1項に記載の半導体基板の製造方法において、請求項12に記載のように、第2工程において、シリコン基板の主表面側から、トレンチに埋め込むためのエピタキシャル膜の表面温度をパイロメータでモニターし、所定の測定温度におけるパイロメータの出力信号レベルが変化しなくなった時点で、第3工程での成長速度を速くする条件に切り替えるようにしてもよい。
In the manufacturing method of the semiconductor substrate of any one of Claims 1-11, as described in
請求項13に記載の発明によれば、第2工程において、シリコンソースガスとハロゲン化物ガスの混合ガスの供給に伴うエピタキシャル成長によりシリコン基板の主表面上には成長させずにトレンチ内のみにエピタキシャル膜が成長し、かつ、当該エピタキシャル膜がシリコン基板の主表面と面一となるまでトレンチがエピタキシャル膜によって埋め込まれる。この埋め込みではハロゲン化物ガスの供給によりボイドの発生が抑制される。また、研磨を不要にできる。 According to the thirteenth aspect of the present invention, in the second step, the epitaxial film is formed only in the trench without being grown on the main surface of the silicon substrate by the epitaxial growth accompanying the supply of the mixed gas of the silicon source gas and the halide gas. And the trench is filled with the epitaxial film until the epitaxial film is flush with the main surface of the silicon substrate. In this embedding, the generation of voids is suppressed by supplying the halide gas. Further, polishing can be eliminated.
これにより、ボイドの発生を抑制しつつトレンチをエピタキシャル膜で埋め込んだ後の基板平坦化を容易に行うことができる。
請求項14に記載の発明によれば、第2工程において、マスクを残した状態で、シリコンソースガスとハロゲン化物ガスの混合ガスの供給に伴うエピタキシャル成長によりトレンチ内のみにエピタキシャル膜が成長し、かつ、当該エピタキシャル膜がシリコン基板の主表面と面一となるまでトレンチがエピタキシャル膜によって埋め込まれる。この埋め込みではハロゲン化物ガスの供給によりボイドの発生が抑制される。また、研磨を不要にできる。第3工程においてマスクが除去される。
As a result, the substrate can be easily flattened after the trench is filled with the epitaxial film while suppressing the generation of voids.
According to the invention of claim 14, in the second step, an epitaxial film is grown only in the trench by the epitaxial growth accompanying the supply of the mixed gas of the silicon source gas and the halide gas with the mask remaining, and The trench is filled with the epitaxial film until the epitaxial film is flush with the main surface of the silicon substrate. In this embedding, the generation of voids is suppressed by supplying the halide gas. Further, polishing can be eliminated. In the third step, the mask is removed.
これにより、ボイドの発生を抑制しつつトレンチをエピタキシャル膜で埋め込んだ後の基板平坦化を容易に行うことができる。
請求項15に記載の発明によれば、第2工程において、マスクを残した状態で、シリコンソースガスとハロゲン化物ガスの混合ガスの供給に伴うエピタキシャル成長によりトレンチ内のみにエピタキシャル膜が成長し、かつ、当該エピタキシャル膜がトレンチ形成用マスクの表面よりも高くなるまでトレンチがエピタキシャル膜によって埋め込まれる。この埋め込みではハロゲン化物ガスの供給によりボイドの発生が抑制される。第3工程において、マスクをストッパとしてシリコン基板の主表面側のエピタキシャル膜が研磨されてシリコン基板の主表面側が平坦化され、第4工程においてマスクが除去される。
As a result, the substrate can be easily flattened after the trench is filled with the epitaxial film while suppressing the generation of voids.
According to the invention described in claim 15, in the second step, an epitaxial film is grown only in the trench by the epitaxial growth accompanying the supply of the mixed gas of the silicon source gas and the halide gas with the mask remaining, and The trench is filled with the epitaxial film until the epitaxial film becomes higher than the surface of the trench formation mask. In this embedding, the generation of voids is suppressed by supplying the halide gas. In the third step, the epitaxial film on the main surface side of the silicon substrate is polished using the mask as a stopper to flatten the main surface side of the silicon substrate, and the mask is removed in the fourth step.
これにより、研磨量を少なくできるとともにマスクをストッパとして用いることにより、ボイドの発生を抑制しつつトレンチをエピタキシャル膜で埋め込んだ後の基板平坦化を容易に行うことができる。 Thus, the amount of polishing can be reduced and the mask can be used as a stopper, so that the substrate can be easily flattened after the trench is filled with the epitaxial film while suppressing the generation of voids.
請求項16に記載の発明によれば、第2工程において、マスクを残した状態で、シリコンソースガスとハロゲン化物ガスの混合ガスの供給に伴うエピタキシャル成長によりトレンチ内を含めたマスク上が成膜されてトレンチがエピタキシャル膜によって埋め込まれる。この埋め込みではハロゲン化物ガスの供給によりボイドの発生が抑制される。第3工程において、マスクをストッパとしてマスクの上側の膜が研磨されてシリコン基板の主表面側が平坦化され、第4工程において、マスクが除去される。
According to the invention described in
これにより、マスクをストッパとして用いることによって、ボイドの発生を抑制しつつトレンチをエピタキシャル膜で埋め込んだ後の基板平坦化を容易に行うことができる。
請求項17に記載のように、請求項15または16に記載の半導体基板の製造方法において、第4工程においてマスクを除去した後に、シリコン基板の主表面側を犠牲層酸化するとともに犠牲酸化膜を除去するようにしてもよい。
Thus, by using the mask as a stopper, the substrate can be easily flattened after the trench is filled with the epitaxial film while the generation of voids is suppressed.
In the method of manufacturing a semiconductor substrate according to claim 15 or 16, the main surface side of the silicon substrate is subjected to sacrificial layer oxidation and a sacrificial oxide film is formed after removing the mask in the fourth step. You may make it remove.
請求項16に記載の半導体基板の製造方法において、請求項18に記載のように、第2工程において、シリコンソースガスとハロゲン化物ガスの混合ガスの供給に伴うエピタキシャル成長によりマスク上に単結晶の膜が形成されても、請求項19に記載のように、第2工程において、シリコンソースガスとハロゲン化物ガスの混合ガスの供給に伴うエピタキシャル成長によりマスク上に多結晶の膜が形成されてもよい。
17. The method of manufacturing a semiconductor substrate according to
請求項1〜19のいずれか1項に記載の半導体基板の製造方法において、請求項20に記載のように、ハロゲン化物ガスは塩化水素、塩素、フッ素、三フッ化塩素、フッ化水素、臭化水素のいずれかを用いるとよい。
20. The method of manufacturing a semiconductor substrate according to
請求項1〜19のいずれか1項に記載の半導体基板の製造方法において、請求項21に記載のように、シリコンソースガスはモノシラン、ジシラン、ジクロロシラン、トリクロロシランのいずれかを用いるとよい。
In the method for manufacturing a semiconductor substrate according to any one of
請求項1〜21のいずれか1項に記載の半導体基板の製造方法において、請求項22に記載のように、トレンチは底面が(110)面であり、側面に(111)面が含まれている、あるいは、請求項23に記載のように、トレンチは底面が(100)面であり、側面に(100)面が含まれているとよい。
The method of manufacturing a semiconductor substrate according to any one of
請求項1〜23のいずれか1項に記載の半導体基板の製造方法において、請求項24に記載のように、第2工程でエピタキシャル成長する際に、トレンチのアスペクト比が10未満の場合、ハロゲン化物ガスの標準流量をX[slm]とし、成長速度をY[μm/分]とするとき、
Y<0.2X+0.1
を満たようにする、また、請求項25に記載のように、第2工程でエピタキシャル成長する際に、トレンチのアスペクト比が10以上20未満の場合、ハロゲン化物ガスの標準流量をX[slm]とし、成長速度をY[μm/分]とするとき、
Y<0.2X+0.05
を満たすようにする、また、請求項26に記載のように、第2工程でエピタキシャル成長する際に、トレンチのアスペクト比が20以上の場合、ハロゲン化物ガスの標準流量をX[slm]とし、成長速度をY[μm/分]とするとき、
Y<0.2X
を満たすようにすると、ボイドの発生を抑制しつつトレンチをエピタキシャル膜で効率よく埋め込むという観点から好ましいものとなる。
24. The method of manufacturing a semiconductor substrate according to
Y <0.2X + 0.1
In addition, as described in
Y <0.2X + 0.05
In addition, when epitaxial growth is performed in the second step and the aspect ratio of the trench is 20 or more, the standard flow rate of the halide gas is set to X [slm]. When the speed is Y [μm / min]
Y <0.2X
If the condition is satisfied, it is preferable from the viewpoint of efficiently filling the trench with an epitaxial film while suppressing the generation of voids.
エピタキシャル成長装置として、請求項27に記載の発明によれば、切替手段により、パイロメータで、シリコン基板の主表面側から、トレンチに埋め込むエピタキシャル膜の表面温度をモニターし、所定の測定温度におけるパイロメータの出力信号レベルが変化しなくなった時点で、第1のガス流量調整手段と第2のガス流量調整手段と温度調整手段と圧力調整手段のうちの少なくともいずれかにより、シリコンソースガスの流量、ハロゲン化物ガスの流量、成長温度、成長圧力のうちの少なくともいずれか1つを制御して成長速度を速くする条件に切り替える。これにより、請求項1に記載の半導体基板の製造方法を実施する装置として好ましいものとなる。 As an epitaxial growth apparatus, according to the invention described in claim 27, the switching means monitors the surface temperature of the epitaxial film embedded in the trench from the main surface side of the silicon substrate by the pyrometer, and outputs the pyrometer at a predetermined measurement temperature. When the signal level no longer changes, the flow rate of the silicon source gas, the halide gas is controlled by at least one of the first gas flow rate adjusting unit, the second gas flow rate adjusting unit, the temperature adjusting unit, and the pressure adjusting unit. The control is switched to a condition for increasing the growth rate by controlling at least one of the flow rate, the growth temperature, and the growth pressure. Thus, the semiconductor substrate manufacturing method according to the first aspect is preferable as an apparatus.
(第1の実施の形態)
以下、本発明を具体化した第1の実施形態を図面に従って説明する。
図1に、本実施の形態における縦型トレンチゲートMOSFETの断面図を示す。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a cross-sectional view of a vertical trench gate MOSFET in the present embodiment.
図1において、ドレイン領域となるn+シリコン基板1の上にエピタキシャル膜2が形成されているとともに同エピタキシャル膜2の上にエピタキシャル膜3が形成されている。下側のエピタキシャル膜2においてトレンチ4が並設され、トレンチ4はエピタキシャル膜2を貫通してn+シリコン基板1に達している。トレンチ4内にエピタキシャル膜5が埋め込まれている。トレンチ4内のエピタキシャル膜5の導電型はp型であるとともに、トレンチ4の横の領域6の導電型はn型である。このように横方向にp型領域(5)とn型領域6とが交互に配置され、これによりMOSFETのドリフト層がp/nコラム構造の、いわゆるスーパージャンクション構造をなしている。
In FIG. 1, an
前述の上側のエピタキシャル膜3においてその表層部にはpウエル層7が形成されている。エピタキシャル膜3にはゲート用トレンチ8が並設され、このトレンチ8はエピタキシャル膜2に達している。トレンチ8の内面にはゲート酸化膜9が形成され、ゲート酸化膜9の内方にはポリシリコンゲート電極10が配置されている。エピタキシャル膜3の上面においてトレンチ8と接する部位での表層部にはn+ソース領域11が形成されている。また、p型エピタキシャル膜3の上面での表層部にはp+ソースコンタクト領域12が形成されている。
A p-well layer 7 is formed on the surface layer of the
n+シリコン基板1の下面にはドレイン電極(図示略)が形成され、ドレイン電極はn+シリコン基板1と電気的に接続されている。また、エピタキシャル膜3の上面にはソース電極(図示略)が形成され、ソース電極はn+ソース領域11およびp+ソースコンタクト領域12と電気的に接続されている。
A drain electrode (not shown) is formed on the lower surface of the n + silicon substrate 1, and the drain electrode is electrically connected to the n + silicon substrate 1. A source electrode (not shown) is formed on the upper surface of the
そして、ソース電圧をグランド電位、ドレイン電圧を正の電位にした状態においてゲート電位として所定の正の電圧を印加することにより、トランジスタ・オンとなる。トランジスタ・オン時においてはpウエル層7及びその下のp−領域でのゲート酸化膜9と接する部位に反転層が形成され、この反転層を通してソース・ドレイン間に電子が流れる(n+ソース領域11→pウエル層7及びその下のp−領域→n型領域6→n+シリコン基板1)。また、逆バイアス印加時(ソース電圧をグランド電位、ドレイン電圧を正の電位にした状態)においては、p型領域(5)とn型領域6とのpn接合部から空乏層が広がり、p型領域(5)およびn型領域6が空乏化して高耐圧化が図られる。
Then, by applying a predetermined positive voltage as a gate potential in a state where the source voltage is the ground potential and the drain voltage is the positive potential, the transistor is turned on. When the transistor is turned on, an inversion layer is formed at a portion in contact with the
次に、本実施の形態における縦型トレンチゲートMOSFETの製造方法を、図2,3を用いて説明する。
先に、本製造工程において使用するエピタキシャル成長装置について説明しておく。図4はエピタキシャル成長装置の概略構成図である。
Next, a method for manufacturing the vertical trench gate MOSFET in the present embodiment will be described with reference to FIGS.
First, an epitaxial growth apparatus used in this manufacturing process will be described. FIG. 4 is a schematic configuration diagram of an epitaxial growth apparatus.
図4において、チャンバー30内には基板(ウエハ)32をチャックする台31が設けられている。基板(ウエハ)32は主表面にトレンチが形成されている。ランプ33によりシリコン基板(ウエハ)32を加熱することができる。チャンバー30には排気ポンプ34が接続されている。チャンバー30内にはSiH2Cl2(ジクロロシラン:DCS)等のシリコンソースガス、塩化水素ガス(HCl)等のハロゲン化物ガス、水素ガスを導入することができるようになっている。さらに、パイロメータ35が設置されており、このパイロメータ35によりエピタキシャル成長時のエピタキシャル膜の表面を観測することができるようになっている。つまり、チャンバー30内においてチャック台31に固定されたシリコン基板32でのエピタキシャル成膜時の表面温度をモニターすることができる。第1のガス流量調整手段としてのバルブ36aによりエピタキシャル成長のためにチャンバー30内に供給するシリコンソースガスの流量を調整することができるようになっている。第2のガス流量調整手段としてのバルブ36bによりエピタキシャル成長時にチャンバー30内に供給するハロゲン化物ガスの流量を調整することができる。バルブ36cにより水素ガス流量を調整できるようになっている。温度調整手段としての温度コントローラ37によりランプ33を介してチャンバー30内の成長温度を調整することができる。成長圧力調整手段としてのポンプ34によりチャンバー30内の成長圧力を調整することができる。切替手段としてのコントローラ38にはパイロメータ35、バルブ36a,36b,36c、温度コントローラ37、排気ポンプ34が接続されている。コントローラ38はパイロメータ35からの信号を入力するとともに、バルブ36a,36b,36c、温度コントローラ37、排気ポンプ34を駆動制御する。
In FIG. 4, a
図6には、図4のエピタキシャル成長装置を用いてエピタキシャル成長する際のタイムチャートを示す。図6においては、エピタキシャル成長工程における成長速度(シリコン基板主表面での速度)、成長温度、ハロゲン化物ガス流量、シリコンソースガス流量、成長圧力、水素ガス流量、パイロメータの出力の推移を示す。 FIG. 6 shows a time chart for epitaxial growth using the epitaxial growth apparatus of FIG. FIG. 6 shows changes in the growth rate (speed on the main surface of the silicon substrate), growth temperature, halide gas flow rate, silicon source gas flow rate, growth pressure, hydrogen gas flow rate, and pyrometer output in the epitaxial growth process.
まず、図2(a)に示すように、n+シリコン基板1を用意し、その上にn型のエピタキシャル膜2を成膜する。さらに、エピタキシャル膜2の上面を平坦化する。
引き続き、図2(b)に示すように、n型のエピタキシャル膜2に対しマスクを用いて異方性エッチング(RIE)、または、アルカリ性異方性エッチング液(KOH、TMAH等)によるウェットエッチングを行い、シリコン基板1に達するトレンチ4を形成する。このようにして、n+シリコン基板1とエピタキシャル膜2よりなるシリコン基板の主表面2aにトレンチ4を形成する。トレンチ4は、例えば、幅が0.8μm、深さが13μm程度である。
First, as shown in FIG. 2A, an n + silicon substrate 1 is prepared, and an n-
Subsequently, as shown in FIG. 2B, the n-
ここで、使用する基板について言及する。図7に示すように、単結晶基板としてSi(110)基板を用い、その上にエピタキシャル膜40を形成したものを用いる。これにより、トレンチ底面が(110)面であるとともに、トレンチ41の側面に(111)面が含まれる。この面方位を用いることにより、LP−CVDを用いたトレンチ埋め込みエピで埋め込み形状が最も優れたものとなり、ボイドレス埋め込み可能で、さらに、スループット向上を図ることができる。また、基板及びトレンチの面方位をこのように設定すれば、トレンチをTMAHやKOHなどのウェット加工を適用できるため、ドライエッチングを用いた場合に対してトレンチ面のダメージを低減できる。
Here, reference is made to the substrate to be used. As shown in FIG. 7, an Si (110) substrate is used as a single crystal substrate and an
あるいは、図8に示すように、単結晶基板としてSi(100)基板を用い、その上にエピタキシャル膜50を形成したものを用いる。これにより、トレンチ底面が(100)面であるとともに、トレンチ51の側面に(100)面が含まれる。デバイスの特性が最も優れた面方位はSi(100)であり、p/nコラムのトレンチ側面の面方位もSi(100)とすることにより、全ての面方位がSi(100)となり、トレンチ埋め込みエピ成長をする上で、トレンチ内で面方位の依存性がなくなる。
Alternatively, as shown in FIG. 8, an Si (100) substrate is used as a single crystal substrate and an
そして、図2(c)に示すように、トレンチ4内を含めたエピタキシャル膜2の上に(主表面2a上に)エピタキシャル膜20を成膜して同エピタキシャル膜20によりトレンチ4の内部を埋め込む。このとき、図6においてt1のタイミングにて成長を開始する。具体的には、チャンバー内の温度を上げるとともに、ハロゲン化物ガスを必要量流し、かつ、シリコンソースガスを必要量流し、かつ、チャンバー内の成膜圧力として減圧環境とし、かつ、水素ガスを流す。例えば、シリコンソースガスとしてSiH2Cl2(ジクロロシラン:DCS)を用い、ハロゲン化物ガスとして塩化水素(HCl)を混合したガスを用い、かつ、減圧エピタキシャル成長によりトレンチ4内を埋め込む。この際、図9に示すように、エピタキシャル膜60に形成したトレンチに対する元素(塩素原子61とシリコン原子62)の挙動しては、トレンチ開口部では塩素原子(Cl原子)61がシリコン表面に付着するため、トレンチ底部からシリコンが成長する。
Then, as shown in FIG. 2C, an
代表的な埋込エピの成長条件としては、図6において、成長温度が960℃、成長圧力が40Torr、DCSの流量=0.1slm、水素ガス(H2)の流量=30slm、塩化水素ガス(HCl)の流量=0.5slmである。この条件におけるトレンチ表面(基板主表面)での成長速度は数10〜100nm/min程度である。 As typical growth conditions for buried epi, FIG. 6 shows a growth temperature of 960 ° C., a growth pressure of 40 Torr, a flow rate of DCS = 0.1 slm, a flow rate of hydrogen gas (H 2 ) = 30 slm, a hydrogen chloride gas ( HCl) flow rate = 0.5 slm. The growth rate on the trench surface (substrate main surface) under these conditions is about several tens to 100 nm / min.
このトレンチ4の内部をエピタキシャル膜20で埋め込む工程において、エピタキシャル膜20の成膜のためにシリコン基板に供給するガスとして、シリコンソースガスとハロゲン化物ガスとの混合ガスを用いるが、具体的には、シリコンソースガスとして、モノシラン(SiH4)、ジシラン(Si2H6)、ジクロロシラン(SiH2Cl2)、トリクロロシラン(SiHCl3)、四塩化シリコン(SiCl4)のいずれかを用いる。特に、シリコンソースガスとして、モノシラン、ジシラン、ジクロロシラン、トリクロロシランのいずれかを用いるとよい。ハロゲン化物ガスとして、塩化水素(HCl)、塩素(Cl2)、フッ素(F2)、三フッ化塩素(ClF3)、フッ化水素(HF)、臭化水素(HBr)のいずれかを用いる。
In the step of filling the
一方、図2(c)でのエピタキシャル膜20を成膜する際に(エピタキシャル成長する際に)、トレンチのアスペクト比に応じて、次のようにする。
トレンチのアスペクト比が10未満の場合、ハロゲン化物ガスの標準流量をX[slm]とし、成長速度をY[μm/分]とするとき、
Y<0.2X+0.1
を満たすようにする。
On the other hand, when forming the
When the aspect ratio of the trench is less than 10, when the standard flow rate of the halide gas is X [slm] and the growth rate is Y [μm / min],
Y <0.2X + 0.1
To satisfy.
トレンチのアスペクト比が10以上20未満の場合、ハロゲン化物ガスの標準流量をX[slm]とし、成長速度をY[μm/分]とするとき、
Y<0.2X+0.05
を満たすようにする。
When the aspect ratio of the trench is 10 or more and less than 20, when the standard flow rate of the halide gas is X [slm] and the growth rate is Y [μm / min],
Y <0.2X + 0.05
To satisfy.
トレンチのアスペクト比が20以上の場合、ハロゲン化物ガスの標準流量をX[slm]とし、成長速度をY[μm/分]とするとき、
Y<0.2X
を満たすようにする。こうすると、ボイドの発生を抑制しつつトレンチをエピタキシャル膜で効率よく埋め込むという観点から好ましい。
When the aspect ratio of the trench is 20 or more, when the standard flow rate of the halide gas is X [slm] and the growth rate is Y [μm / min],
Y <0.2X
To satisfy. This is preferable from the viewpoint of efficiently filling the trench with an epitaxial film while suppressing the generation of voids.
その根拠となる実験結果を図10,11,12に示す。図10,11,12において、横軸に塩化水素の標準流量X[slm]をとり、縦軸に成長速度Y[μm/分]をとっている。図10はアスペクト比が「5」の場合であり、図11はアスペクト比が「15」の場合であり、図12はアスペクト比が「25」の場合である。図10,11,12において、黒丸はボイドが有ったことを、白丸はボイドが無かったことを示す。そして、各図において塩化水素の標準流量が多くなればエピタキシャル膜の成長速度が速くてもボイドが発生しないことが分かる。また、同じ塩化水素の標準流量ならば、アスペクト比が大きいほどエピタキシャル膜の成長速度を低くしなければボイドの発生を防止できないことが分かる。各図においてボイドの発生の有無の境界を表す式が、図10においてはY=0.2X+0.1、図11においてはY=0.2X+0.05、図12においてはY=0.2Xであり、各式よりも下の領域であれば、ボイドは発生しない。なお、トレンチのアスペクト比とは、図2(b)に示すように、B/A、即ち、トレンチの深さ/トレンチの幅である。 The experimental results that serve as the basis are shown in FIGS. 10, 11 and 12, the horizontal axis represents the hydrogen chloride standard flow rate X [slm], and the vertical axis represents the growth rate Y [μm / min]. 10 shows a case where the aspect ratio is “5”, FIG. 11 shows a case where the aspect ratio is “15”, and FIG. 12 shows a case where the aspect ratio is “25”. 10, 11, and 12, black circles indicate that there are voids, and white circles indicate that there are no voids. In each figure, it can be seen that if the standard flow rate of hydrogen chloride is increased, voids are not generated even if the growth rate of the epitaxial film is high. Further, it can be seen that if the standard flow rate of hydrogen chloride is the same, the generation of voids cannot be prevented unless the growth rate of the epitaxial film is lowered as the aspect ratio increases. In each figure, the expression representing the boundary of occurrence of voids is Y = 0.2X + 0.1 in FIG. 10, Y = 0.2X + 0.05 in FIG. 11, and Y = 0.2X in FIG. In the region below each formula, no void is generated. Note that the aspect ratio of the trench is B / A, that is, the depth of the trench / the width of the trench, as shown in FIG.
また、エピタキシャル膜20を反応律速の条件下で成膜する。特に、シリコンソースガスとしてモノシランまたはジシランを用いた場合において成膜温度の上限を950℃とする。シリコンソースガスとしてジクロロシランを用いた場合において成膜温度の上限を1100℃とする。シリコンソースガスとしてトリクロロシランを用いた場合において成膜温度の上限を1150℃とする。シリコンソースガスとして四塩化シリコンを用いた場合において成膜温度の上限を1200℃とする。このようにすることにより、結晶欠陥が発生することなくエピタキシャル成長することができることを実験的に確認している。
In addition, the
このようにしてトレンチ4内のエピタキシャル膜20の埋め込みが完了すると、引き続き、図3(a)に示すように、平坦化のためのエピタキシャル成長を行ってエピタキシャル膜20の上にエピタキシャル膜21を形成する。つまり、シリコンソースガスとハロゲン化物ガスを用いてトレンチ底部から埋め込みエピ成長させると、トレンチに起因する段差が形成される。研磨工程を考慮すると、研磨量を小さくするには基板主表面を平坦化することが望ましく、トレンチ埋め込みエピ後に、平坦化のためにエピタキシャル成長させる。この平坦化エピにおいては、トレンチ埋め込みエピにおける基板主表面2aでのエピタキシャル膜20の成長速度よりも速い成長下で成膜する。具体的には、図6において(i)〜(iv)の少なくともいずれかの成膜条件を変更する。
When the filling of the
(i)成長温度を、埋め込みエピ成長時に比べ高くする。
(ii)ハロゲン化物ガスを流さない、あるいは、ハロゲン化物ガスの流量を、埋め込みエピ成長時に比べ少なくする。
(I) The growth temperature is set higher than that during buried epi growth.
(Ii) Do not flow a halide gas, or reduce the flow rate of the halide gas as compared with that during buried epi growth.
(iii)シリコンソースガスの流量を埋め込みエピ成長時に比べ多くする。
(iv)成長圧力を埋め込みエピ成長時に比べ高くする。
これにより、図6で(v)で示すように、平坦化エピにおいてはシリコン基板(1,2)の主表面(平面)2aでのシリコンの成長速度が速い条件下とすることができる。
(Iii) The flow rate of the silicon source gas is increased as compared with that during buried epi growth.
(Iv) The growth pressure is set higher than that during buried epi growth.
Thereby, as shown by (v) in FIG. 6, in the flattening epi, the silicon can be grown at a high growth rate on the main surface (plane) 2a of the silicon substrate (1, 2).
ここで、平坦化エピ工程においてシリコン基板(1,2)の主表面2aでのエピタキシャル膜20の成長速度よりも速い条件下で成膜すべく、埋め込みエピタキシャル成長が終了した後に、平坦化エピ成長に切り替える際に、ハロゲン化物ガスの流量、シリコンソースガスの流量、成長温度、成長圧力の各パラメータのうちの少なくとも2つ以上を同時に高成長速度条件となるように切り替えるようにしてもよい。
Here, in the planarization epi step, the planarization epi growth is performed after the buried epitaxial growth is completed in order to form a film under a condition faster than the growth rate of the
また、トレンチ埋込の完了は次のようにして検出する。
エピ成長中にパイロメータの出力をモニターしてトレンチが埋め込まれると、メーター出力値が図6のt2のタイミングに示すように変化しなくなる。図4のコントローラ38は、このタイミングt2でトレンチ埋め込み完了を検知して成長速度を速くする条件に切り替える。つまり、切替手段としてのコントローラ38は、パイロメータ35で、シリコン基板32の主表面側から、トレンチに埋め込むエピタキシャル膜の表面温度をモニターし、所定の測定温度におけるパイロメータ35の出力信号レベルが変化しなくなった時点で、バルブ36a(第1のガス流量調整手段)とバルブ36b(第2のガス流量調整手段)と温度コントローラ37(温度調整手段)とポンプ34(成長圧力調整手段)のうちの少なくともいずれかより、シリコンソースガスの流量、ハロゲン化物ガスの流量、成長温度、成長圧力のうちの少なくともいずれか1つを制御して成長速度を大きくする条件に切り替える。
The completion of trench filling is detected as follows.
If the output of the pyrometer is monitored during the epitaxial growth and the trench is buried, the meter output value does not change as shown at the timing t2 in FIG. The controller 38 in FIG. 4 detects the completion of trench filling at this timing t2 and switches to a condition for increasing the growth rate. That is, the controller 38 as the switching means monitors the surface temperature of the epitaxial film embedded in the trench from the main surface side of the
図5にはエピタキシャル成長速度に関する測定結果を示す。図5において、横軸に温度をとり、縦軸に成長速度比をとり、ジクロロシランのみの場合と、ジクロロシランと塩化水素の混合ガスを用いて成長した場合を示す。この図5から、ジクロロシランと塩化水素の混合ガスを用いて成長した場合に比べ、ジクロロシランのみを用いて成長した方が成長を速くすることができることが分かる。また、温度は高い方が成長を速くすることができることが分かる。 FIG. 5 shows the measurement results regarding the epitaxial growth rate. In FIG. 5, the temperature is plotted on the horizontal axis and the growth rate ratio is plotted on the vertical axis, and shows a case of using only dichlorosilane and a case of growing using a mixed gas of dichlorosilane and hydrogen chloride. From FIG. 5, it can be seen that the growth can be made faster when grown using only dichlorosilane than when grown using a mixed gas of dichlorosilane and hydrogen chloride. It can also be seen that the higher the temperature, the faster the growth.
平坦化エピにおいて、成長温度を960℃から990℃にするとともに、真空度を40Torrから80Torrにする場合での、代表的な成長速度は数μm/minである。よって、平坦化するためのエピ膜厚を3μmとした場合、上述した数10〜100nm/minという成長速度となるトレンチ埋込条件と同様のエピ(HClを用いた混合エピ)を用いると30分(=3[μm]/0.1[μm/min])かかるが、3分(=3[μm]/1[μm/min])に短縮できる。そのため、エピ工程のスループットを向上できる。 In the planarization epi, a typical growth rate is several μm / min when the growth temperature is changed from 960 ° C. to 990 ° C. and the degree of vacuum is changed from 40 Torr to 80 Torr. Therefore, when the epitaxial film thickness for planarization is 3 μm, 30 minutes is obtained by using the same epi (semiconductor epitaxy using HCl) as the trench embedding condition having a growth rate of several tens to 100 nm / min. (= 3 [μm] /0.1 [μm / min]) This takes 3 minutes (= 3 [μm] / 1 [μm / min]). Therefore, the throughput of the epi process can be improved.
平坦化エピ成長が終了すると、図3(a)でのエピタキシャル膜21の上面側から平坦化研磨を行う。即ち、基板主表面2a側のエピタキシャル膜21,20を研磨する。この研磨により図3(b)に示すようにエピタキシャル膜(n型シリコン層)2を露出させる。このようにして、横方向にp型領域(5)とn型領域6とが交互に配置される。なお、研磨は必要に応じて行えばよい。
When the planarization epitaxial growth is completed, planarization polishing is performed from the upper surface side of the
そして、図3(c)に示すように、エピタキシャル膜2の上にp−型エピタキシャル膜3を成膜する。さらに、図1に示すように、pウエル層7、トレンチ8、ゲート酸化膜9、ポリシリコンゲート電極10、n+ソース領域11、p+ソースコンタクト領域12を形成する。さらに、電極および配線を形成する。
Then, as shown in FIG. 3C, a p −
次に、このような製造工程において、図2(c),図3(a)に示すエピ成膜工程について、詳しく説明する。
図24には、図2,図3に代わる比較のための製造工程図を示す。図25は、図6に代わる比較のためのタイムチャートである。
Next, in such a manufacturing process, the epitaxial film forming process shown in FIGS. 2C and 3A will be described in detail.
FIG. 24 shows a manufacturing process diagram for comparison in place of FIGS. FIG. 25 is a time chart for comparison instead of FIG.
図24(a)に示すように、n+シリコン基板100上にn型エピタキシャル膜101を形成し、図24(b)に示すように、n型エピタキシャル膜101に対しエッチングによりトレンチ102を形成し、図24(c),(d)に示すように、シリコンソースガスとハロゲン化物ガスを用いたトレンチ埋め込みエピを行ってエピタキシャル膜104を形成し、図24(e)に示すように、平坦化エピを行ってエピタキシャル膜105を形成し、図24(f)に示すように、エピタキシャル膜104,105を研磨する。このようにボイドレス埋込を実現するためにはDCSなどのシリコンソースガスとHClなどのハロゲン化物ガスを同時に流すことによりトレンチ底部から選択成長させることができる。これはハロゲン化物ガスのため、特に基板主表面やトレンチ開口部におけるシリコンの成長を抑制できるため、トレンチ底部からの選択成長が支配的となる。
As shown in FIG. 24A, an n-
このような基板製作工程においては、トレンチ埋め込みエピはボイドレス化のために低温の反応律速条件下で成膜し、さらにHClなどのハロゲン化物ガスを用いた選択エピを用いており、このトレンチ埋め込み条件を用いて平坦化エピをすると成長速度が遅いことからスループットが悪くなる。また、シリコンソースガスとハロゲン化物ガスを用いた選択成長を用いるために、図9に示したように、基板主表面ではハロゲン元素による付着効果のために成長速度が小さい。さらに、研磨レス工程、あるいは、研磨量を低減することで研磨工程のスループットを向上させる必要がある。 In such a substrate manufacturing process, the trench-filled epi is formed under a low-temperature reaction-determined condition for voidless formation, and a selective epi using a halide gas such as HCl is used. If planarization epitaxy is performed using, the growth rate is slow and the throughput deteriorates. Further, since selective growth using a silicon source gas and a halide gas is used, the growth rate is low on the main surface of the substrate due to the adhesion effect of the halogen element, as shown in FIG. Furthermore, it is necessary to improve the throughput of the polishing process by reducing the polishing amount or the polishing-less process.
これに対し本実施形態では以下のようになる。
平坦化エピはトレンチ埋め込みエピ工程と異なり、選択性が必要ないため成膜温度の低温化による反応律速条件下での成膜やハロゲン化物ガスによるトレンチ開口部におけるシリコン成長抑制といった成膜条件は必要がない。そこで、平坦化エピ条件として、例えば、HClガスの供給をストップしたり、反応律速条件から供給律速条件に成膜条件を切り替える等をすることで平坦化エピに要する成膜時間を短縮化し、トレンチエピ工程のスループットを向上できる。
On the other hand, in this embodiment, it is as follows.
Unlike the trench-filling epi process, planarization epi does not require selectivity, so film formation conditions such as film formation under reaction-controlled conditions by lowering the film formation temperature and suppression of silicon growth at the trench opening by a halide gas are necessary. There is no. Therefore, as the planarization epi condition, for example, the supply of HCl gas is stopped or the film formation condition is switched from the reaction rate limiting condition to the supply rate limiting condition, thereby shortening the film formation time required for the planarization epi and the trench. The throughput of the epi process can be improved.
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
(イ)半導体基板の製造方法として、シリコン基板(1,2)の主表面2aにトレンチ4を形成する第1工程と、シリコンソースガスとハロゲン化物ガスの混合ガスの供給に伴うエピタキシャル成長によりトレンチ4内を含めたシリコン基板(1,2)の主表面2a上にエピタキシャル膜20を成膜してトレンチ4の内部をエピタキシャル膜20で埋め込む第2工程と、平坦化のために、第2工程での埋込用のエピタキシャル膜20の上に、エピタキシャル膜21を、第2工程におけるシリコン基板(1,2)の主表面2aでのエピタキシャル膜20の成長速度よりも速い条件下で成膜する第3工程と、を有する。よって、第2工程において、シリコンソースガスとハロゲン化物ガスの混合ガスの供給に伴うエピタキシャル成長によりトレンチ4内を含めたシリコン基板(1,2)の主表面2a上にエピタキシャル膜20が成膜されてトレンチ4の内部がエピタキシャル膜20で埋め込まれる。この埋め込みではハロゲン化物ガスの供給によりボイドの発生が抑制される。また、第3工程においては、第2工程での埋込用のエピタキシャル膜20の上に、エピタキシャル膜21が、第2工程におけるシリコン基板(1,2)の主表面2aでのエピタキシャル膜20の成長速度よりも速い条件下で成膜され、スループットが向上する。また、研磨を不要にすることが可能となる。これにより、ボイドの発生を抑制しつつトレンチをエピタキシャル膜で埋め込んだ後の基板平坦化を容易に行うことができる。
According to the above embodiment, the following effects can be obtained.
(A) As a method for manufacturing a semiconductor substrate, the first step of forming the
(ロ)第3工程において、第2工程におけるシリコン基板(1,2)の主表面2aでのエピタキシャル膜20の成長速度よりも速い条件下でエピタキシャル膜21を成膜した後に、シリコン基板(1,2)の主表面2a側のエピタキシャル膜20,21を研磨した。これにより、より平坦化することができる。
(B) In the third step, after the
(ハ)第3工程においてエピタキシャル膜21を第2工程におけるシリコン基板(1,2)の主表面2aでのエピタキシャル膜20の成長速度よりも速い条件下で成膜すべく、以下のいずれかを行った。
・ハロゲン化物ガスの流量を、第2工程におけるエピタキシャル成長時に比べ第3工程におけるエピタキシャル成長時に少なくした。
・ハロゲン化物ガスを第3工程におけるエピタキシャル成長時には流さないようにした。
・シリコンソースガスの流量を、第2工程におけるエピタキシャル成長時に比べ第3工程におけるエピタキシャル成長時に多くした。
・成長温度を、第2工程におけるエピタキシャル成長時に比べ第3工程におけるエピタキシャル成長時に高くした。
・成長圧力を、第2工程におけるエピタキシャル成長時に比べ第3工程におけるエピタキシャル成長時に高くした。
(C) In order to form the
-The flow rate of the halide gas was reduced during the epitaxial growth in the third step as compared with the epitaxial growth in the second step.
-Halide gas was not allowed to flow during epitaxial growth in the third step.
-The flow rate of the silicon source gas was increased during the epitaxial growth in the third step compared to the epitaxial growth in the second step.
The growth temperature was increased during the epitaxial growth in the third step as compared to the epitaxial growth in the second step.
-The growth pressure was increased during the epitaxial growth in the third step as compared with the epitaxial growth in the second step.
(ニ)第2工程のエピタキシャル成長と第3工程のエピタキシャル成長は共に減圧CVDで行うようにすると、効率がよい。
(ホ)第3工程においてエピタキシャル膜21を第2工程におけるシリコン基板(1,2)の主表面2aでのエピタキシャル膜20の成長速度よりも速い条件下で成膜すべく、第2工程でのエピタキシャル成長が終了した後に、第3工程でのエピタキシャル成長に切り替える際に、ハロゲン化物ガスの流量、シリコンソースガスの流量、成長温度、成長圧力の各パラメータのうちの少なくとも2つ以上を同時に高成長速度条件となるように切り替えるようにした。これによって、よりスループットの向上を図ることができる。
(D) If the epitaxial growth in the second step and the epitaxial growth in the third step are both performed by low pressure CVD, the efficiency is high.
(E) In order to form the
(ヘ)第2工程において、シリコン基板(1,2)の主表面2a側から、トレンチ4に埋め込むためのエピタキシャル膜20の表面温度をパイロメータ35でモニターし、所定の測定温度におけるパイロメータ35の出力信号レベルが変化しなくなった時点で、第3工程での成長速度を速くする条件に切り替えるようにした。これにより、埋め込みエピの完了を確実に検出することができる。
(F) In the second step, the surface temperature of the
(ト)エピタキシャル成長装置として、チャンバー30内に配置され、主表面にトレンチが形成されたシリコン基板32を固定するチャック台31と、エピタキシャル成長のためにチャンバー30内に供給するシリコンソースガスの流量を調整するための第1のガス流量調整手段(36a)と、エピタキシャル成長時にチャンバー30内に供給するハロゲン化物ガスの流量を調整するための第2のガス流量調整手段(36b)と、チャンバー30内の成長温度を調整するための温度調整手段(37)と、チャンバー30内の成長圧力を調整するための圧力調整手段(34)と、チャンバー30内においてチャック台31に固定されたシリコン基板32でのエピタキシャル成膜時の表面温度をモニターするパイロメータ35と、パイロメータ35で、シリコン基板32の主表面側から、トレンチに埋め込むエピタキシャル膜の表面温度をモニターし、所定の測定温度におけるパイロメータ35の出力信号レベルが変化しなくなった時点t2で、第1のガス流量調整手段(36a)と第2のガス流量調整手段(36b)と温度調整手段(37)と圧力調整手段(34)のうちの少なくともいずれかにより、シリコンソースガスの流量、ハロゲン化物ガスの流量、成長温度、成長圧力のうちの少なくともいずれか1つを制御して成長速度を速くする条件に切り替える切替手段(38)と、を備えた。
(G) As an epitaxial growth apparatus, a
よって、埋め込みエピとその後の平坦化エピを自動制御することができる。
なお、第2工程でのエピタキシャル成長は減圧CVD成長方法で行うとともに、第3工程でのエピタキシャル成長は常圧CVD成長方法で行うようにしてもよい。
Therefore, it is possible to automatically control the buried epi and the subsequent planarization epi.
The epitaxial growth in the second step may be performed by the low pressure CVD growth method, and the epitaxial growth in the third step may be performed by the atmospheric pressure CVD growth method.
また、図13に示すように、埋め込みエピ成長中(第2工程のエピタキシャル成長中)に、ハロゲン化物ガスの流量、シリコンソースガスの流量、成長温度、成長圧力の各パラメータのうちの少なくとも1つを徐々に連続的に高成長速度条件となるように調整してもよく、あるいは、図14に示すように、階段状に高成長速度条件となるように調整してもよい。これらの成長パラメータは1つのパラメータを変更しても複数を組み合わせてもよい。 In addition, as shown in FIG. 13, during buried epi growth (during the second step of epitaxial growth), at least one of the parameters of halide gas flow rate, silicon source gas flow rate, growth temperature, and growth pressure is set. You may adjust so that it may become high growth rate conditions gradually continuously, or you may adjust so that it may become high growth rate conditions stepwise as shown in FIG. As these growth parameters, one parameter may be changed or a plurality of growth parameters may be combined.
このようにすると、埋込エピの成長速度は、図15(a)に示すようにトレンチ埋込初期のアスペクト比が大きいときは、成長速度を小さくし(高選択比成膜条件)、図15(b)に示すようにアスペクト比が小さい時には成長速度を大きくすることで、埋め込みに要する時間を短くできる。即ち、トレンチ埋込エピ時においても、トレンチの埋込エピ過程におけるアスペクト比の変化に合わせて成膜条件を変更することでトレンチエピ工程全体のスループットを向上できる。
(第2の実施の形態)
次に、第2の実施形態を、第1の実施形態との相違点を中心に説明する。
In this way, the growth rate of the buried epi is reduced when the aspect ratio at the initial stage of trench burying is large as shown in FIG. As shown in (b), the time required for embedding can be shortened by increasing the growth rate when the aspect ratio is small. That is, even during trench buried epi, the throughput of the entire trench epi process can be improved by changing the film forming conditions in accordance with the change of the aspect ratio in the trench buried epi process.
(Second Embodiment)
Next, the second embodiment will be described focusing on the differences from the first embodiment.
図16には、図2,3に代わる本実施形態における製造工程図を示す。図17は、図6に代わる本実施形態におけるタイムチャートである。
図16(a)に示すように、シリコン基板70の上にエピタキシャル膜71を形成してシリコン基板とする。そして、図16(b)に示すように、シリコン基板(70,71)の主表面71aにトレンチ72を形成する(第1工程)。
In FIG. 16, the manufacturing process figure in this embodiment which replaces FIG.2, 3 is shown. FIG. 17 is a time chart in the present embodiment that replaces FIG.
As shown in FIG. 16A, an
その後、図16(c)に示すように、シリコンソースガスとハロゲン化物ガスの混合ガスの供給に伴うエピタキシャル成長によりシリコン基板(70,71)の主表面71a上には成長させずにトレンチ72内のみにエピタキシャル膜73を成膜する。このとき、図17に示すように、図25の比較例に比べてハロゲン化物ガスの流量を大きくする、あるいは成長温度を低温化することで選択性の高いエピ条件とし、シリコン基板(70,71)の主表面71a上には成長させずにトレンチ72内のみにエピタキシャル膜73を成長する。詳しくは、トレンチ底面から成長する。そして、図16(d),(e)に示すように、当該エピタキシャル膜73がシリコン基板(70,71)の主表面71aと面一となるまでトレンチ72をエピタキシャル膜73によって埋め込む(第2工程)。
After that, as shown in FIG. 16C, only the inside of the
このようにして、第2工程において、シリコンソースガスとハロゲン化物ガスの混合ガスの供給に伴うエピタキシャル成長によりシリコン基板(70,71)の主表面71a上には成長させずにトレンチ72内のみにエピタキシャル膜73を成長し、かつ、エピタキシャル膜73がシリコン基板(70,71)の主表面71aと面一となるまでトレンチ72をエピタキシャル膜73によって埋め込む。この埋め込みではハロゲン化物ガスの供給によりボイドの発生を抑制できる。よって、主表面71aには成膜しないため研磨工程を省略できる(研磨を不要にできる)。これにより、ボイドの発生を抑制しつつトレンチをエピタキシャル膜で埋め込んだ後の基板平坦化を容易に行うことができる。
(第3の実施の形態)
次に、第3の実施形態を、第1の実施形態との相違点を中心に説明する。
In this way, in the second step, the epitaxial growth accompanying the supply of the mixed gas of the silicon source gas and the halide gas does not grow on the
(Third embodiment)
Next, the third embodiment will be described focusing on the differences from the first embodiment.
図18には、図2,3に代わる本実施形態における製造工程図を示す。図19は、図6に代わる本実施形態におけるタイムチャートである。
図18(a)に示すように、シリコン基板80の上にエピタキシャル膜81を形成してシリコン基板を構成する。そして、図18(b)に示すように、シリコン基板(80,81)の主表面81aにトレンチ形成用マスク82を配置し、マスク82におけるトレンチ形成用マスク開口部82aからシリコン基板(81)をエッチングしてトレンチ83を形成する(第1工程)。マスク82としてシリコン酸化膜を用いる。
In FIG. 18, the manufacturing-process figure in this embodiment which replaces FIG.2, 3 is shown. FIG. 19 is a time chart in the present embodiment that replaces FIG.
As shown in FIG. 18A, an
その後、図18(c),(d)に示すように、マスク82を残した状態で、シリコンソースガスとハロゲン化物ガスの混合ガスの供給に伴う減圧エピタキシャル成長によりトレンチ83内のみにエピタキシャル膜84を成長し、かつ、図18(e)に示すように、エピタキシャル膜84がシリコン基板(80,81)の主表面81aと面一となるまでトレンチ83をエピタキシャル膜84によって埋め込む(第2工程)。即ち、図19に示すように、図25の場合には基板主表面上に成膜していたが、本実施形態では、成膜条件に対するシリコン(Si)とシリコン酸化膜(SiO2)の選択性を利用して基板主表面81a(酸化膜上)には成長させずにトレンチ83内に埋め込む。この埋め込みではハロゲン化物ガスの供給によりボイドの発生が抑制される。
Thereafter, as shown in FIGS. 18C and 18D, the
そして、図18(f)に示すように、マスク82を除去する(第3工程)。
このようにして本実施形態では、主表面81aには成膜しないため研磨工程を省略できる(研磨を不要にできる)。これにより、ボイドの発生を抑制しつつトレンチをエピタキシャル膜で埋め込んだ後の基板平坦化を容易に行うことができる。
(第4の実施の形態)
次に、第4の実施形態を、第1の実施形態との相違点を中心に説明する。
Then, as shown in FIG. 18F, the
Thus, in this embodiment, since no film is formed on the
(Fourth embodiment)
Next, the fourth embodiment will be described with a focus on differences from the first embodiment.
図20には、図2,3に代わる本実施形態における製造工程図を示す。図21は、図6に代わる本実施形態におけるタイムチャートである。
図20(a)に示すように、シリコン基板90の上にエピタキシャル膜91を形成してシリコン基板を構成する。そして、図20(b)に示すように、シリコン基板(90,91)の主表面91aにトレンチ形成用マスク92を配置し、マスク92におけるトレンチ形成用マスク開口部92aからシリコン基板(91)をエッチングしてトレンチ93を形成する(第1工程)。マスク92としてシリコン酸化膜を用いる。
In FIG. 20, the manufacturing process figure in this embodiment which replaces FIG.2, 3 is shown. FIG. 21 is a time chart in the present embodiment that replaces FIG.
As shown in FIG. 20A, an
その後、図20(c)に示すように、マスク92を残した状態で、シリコンソースガスとハロゲン化物ガスの混合ガスの供給に伴う減圧エピタキシャル成長によりトレンチ93内のみにエピタキシャル膜94を成長し、かつ、図20(d)に示すように、エピタキシャル膜94がトレンチ形成用マスク92の表面よりも高くなるまでトレンチ93をエピタキシャル膜94によって埋め込む(第2工程)。つまり、シリコンソースガスとハロゲン化物ガスを用いた選択エピ条件を用い、図21に示すように、マスク92上には成長させないようにする。この埋め込みではハロゲン化物ガスの供給によりボイドの発生が抑制される。
Thereafter, as shown in FIG. 20C, with the
さらに、図20(e)に示すように、マスク92をストッパとしてシリコン基板(90,91)の主表面91a側のエピタキシャル膜94を研磨してシリコン基板(90,91)の主表面91a側を平坦化する(第3工程)。このときマスク(酸化膜)92を終点として研磨することができる。この際、シリコン全面を研磨する場合に比較して研磨する領域は埋め込みエピした領域のみであり、研磨量を低減することができるため、スループットを向上できる。また、研磨のバラツキはマスク(酸化膜)92の膜厚バラツキで決まるので、面内のp/nコラム層の膜厚均一性も向上する。
Further, as shown in FIG. 20 (e), the
引き続き、マスク92を除去する(第4工程)。そして、図20(f)に示すように、より完全に平坦化すべく、シリコン基板(90,91)の主表面91a側を犠牲層酸化するとともに犠牲酸化膜を除去する。なお、犠牲層酸化および犠牲酸化膜の除去は、必要に応じて行えばよい。
Subsequently, the
このようにして本実施形態においては、研磨量を少なくできるとともにマスクをストッパとして用いることにより、ボイドの発生を抑制しつつトレンチをエピタキシャル膜で埋め込んだ後の基板平坦化を容易に行うことができる。
(第5の実施の形態)
次に、第5の実施形態を、第4の実施形態との相違点を中心に説明する。
Thus, in this embodiment, the amount of polishing can be reduced and the mask can be used as a stopper, so that the substrate can be easily flattened after the trench is filled with the epitaxial film while the generation of voids is suppressed. .
(Fifth embodiment)
Next, the fifth embodiment will be described with a focus on differences from the fourth embodiment.
図22には、本実施形態における製造工程図を示す。
前述の図20(a)に示すように、シリコン基板90の上にエピタキシャル膜91を形成し、図20(b)に示すように、シリコン基板(90,91)の主表面91aにトレンチ形成用マスク92を配置し、マスク92におけるトレンチ形成用マスク開口部92aからシリコン基板(91)をエッチングしてトレンチ93を形成する(第1工程)。
In FIG. 22, the manufacturing process figure in this embodiment is shown.
As shown in FIG. 20A, an
そして、図22(a),(b),(c)に示すように、マスク92を残した状態で、シリコンソースガスとハロゲン化物ガスの混合ガスの供給に伴うエピタキシャル成長によりトレンチ4内を含めたマスク92上に成膜してトレンチ93をエピタキシャル膜95によって埋め込む(第2工程)。この埋め込みではハロゲン化物ガスの供給によりボイドの発生が抑制される。このときマスク92の上面における膜は単結晶化された膜(単結晶の膜)96でも、図23(c)に示すように多結晶化された膜(多結晶の膜)97でもよい。即ち、トレンチ埋め込みエピタキシャル成長の膜厚を厚くすると選択性、つまり、ハロゲン化物ガスとシリコンソースガスの割合によって、出来上がりの構造が異なる。選択性が高い場合(ハロゲン化物ガスの流量を大きくする場合)、マスク(酸化膜)92上に単結晶が成長し、選択性が低い場合(HClが少ない場合)、マスク(酸化膜)92の全面または一部に多結晶シリコンが成長する。このようにして、第2工程において、シリコンソースガスとハロゲン化物ガスの混合ガスの供給に伴うエピタキシャル成長によりマスク上に単結晶の膜96が形成されても、マスク上に多結晶の膜97が形成されてもよい。
Then, as shown in FIGS. 22A, 22B, and 22C, the inside of the
その後、図22(d)や図23(d)に示すように、マスク92をストッパとしてマスク92の上側の膜(図22(c)の膜95,96、図23(c)の膜95,97)を研磨してシリコン基板(90,91)の主表面91a側を平坦化する(第3工程)。
Thereafter, as shown in FIGS. 22D and 23D, the
引き続き、図22(e)に示すように、マスク92を除去する(第4工程)。その後、より完全に平坦化すべく、シリコン基板(90,91)の主表面91a側を犠牲層酸化するとともに犠牲酸化膜を除去する。なお、犠牲層酸化および犠牲酸化膜の除去は、必要に応じて行えばよい。
Subsequently, as shown in FIG. 22E, the
このように本実施形態においては、マスクをストッパとして用いることにより、ボイドの発生を抑制しつつトレンチをエピタキシャル膜で埋め込んだ後の基板平坦化を容易に行うことができる。第2〜第5の実施形態においても、第1の実施形態で説明したようにトレンチ埋め込みエピ時にトレンチのアスペクト比に応じて、Y<0.2X+0.1、Y<0.2X+0.05、Y<0.2Xを満たすようにするとよい。また、ハロゲン化物ガスは塩化水素、塩素、フッ素、三フッ化塩素、フッ化水素、臭化水素のいずれかを用い、シリコンソースガスはモノシラン、ジシラン、ジクロロシラン、トリクロロシランのいずれかを用いるとよい。また、トレンチは底面が(110)面であり、側面に(111)面が含まれている、あるいは、トレンチは底面が(100)面であり、側面に(100)面が含まれているとよい。 As described above, in this embodiment, by using the mask as a stopper, it is possible to easily perform the planarization of the substrate after the trench is filled with the epitaxial film while suppressing the generation of voids. Also in the second to fifth embodiments, as described in the first embodiment, Y <0.2X + 0.1, Y <0.2X + 0.05, Y It is preferable to satisfy <0.2X. When the halide gas is hydrogen chloride, chlorine, fluorine, chlorine trifluoride, hydrogen fluoride or hydrogen bromide, the silicon source gas is monosilane, disilane, dichlorosilane or trichlorosilane. Good. Also, the trench has a (110) plane with a bottom surface and a (111) plane on the side surface, or a trench has a (100) plane with a (100) plane on the side surface. Good.
これまでの説明ではn+基板にn型エピタキシャル膜を形成し、これをシリコン基板として、その主表面(上面)にトレンチを形成する場合について説明したが、バルク基板に直接、トレンチを形成する場合に適用してもよい。 In the description so far, the case where an n-type epitaxial film is formed on an n + substrate and this is used as a silicon substrate and a trench is formed on the main surface (upper surface) has been described. However, a trench is formed directly on a bulk substrate. You may apply to.
1…n+シリコン基板、2…エピタキシャル膜、2a…主表面、4…トレンチ、5…エピタキシャル膜、6…n型領域、20…エピタキシャル膜、21…エピタキシャル膜、30…チャンバー、34…ポンプ、35…パイロメータ、36a,36b,36c…バルブ、37…温度コントローラ、38…コントローラ、70…シリコン基板、71…エピタキシャル膜、71a…主表面、72…トレンチ、73…エピタキシャル膜、80…シリコン基板、81…エピタキシャル膜、81a…主表面、82…マスク、82a…マスク開口部、83…トレンチ、84…エピタキシャル膜、90…シリコン基板、91…エピタキシャル膜、91a…主表面、92…マスク、92a…マスク開口部、93…トレンチ、94…エピタキシャル膜、95…エピタキシャル膜。
DESCRIPTION OF
Claims (27)
シリコンソースガスとハロゲン化物ガスの混合ガスの供給に伴うエピタキシャル成長により前記トレンチ内を含めたシリコン基板の主表面上にエピタキシャル膜を成膜して前記トレンチの内部をエピタキシャル膜で埋め込む第2工程と、
平坦化のために、前記第2工程での埋込用のエピタキシャル膜の上に、エピタキシャル膜を、前記第2工程におけるシリコン基板の主表面でのエピタキシャル膜の成長速度よりも速い条件下で成膜する第3工程と、
を有することを特徴とする半導体基板の製造方法。 A first step of forming a trench in the main surface of the silicon substrate;
A second step of forming an epitaxial film on the main surface of the silicon substrate including the inside of the trench by epitaxial growth accompanying supply of a mixed gas of a silicon source gas and a halide gas, and filling the inside of the trench with the epitaxial film;
For planarization, an epitaxial film is formed on the buried epitaxial film in the second step under conditions faster than the growth rate of the epitaxial film on the main surface of the silicon substrate in the second step. A third step of filming;
A method for manufacturing a semiconductor substrate, comprising:
シリコンソースガスとハロゲン化物ガスの混合ガスの供給に伴うエピタキシャル成長によりシリコン基板の主表面上には成長させずに前記トレンチ内のみにエピタキシャル膜を成長し、かつ、当該エピタキシャル膜がシリコン基板の主表面と面一となるまでトレンチをエピタキシャル膜によって埋め込む第2工程と、
を有することを特徴とする半導体基板の製造方法。 A first step of forming a trench in the main surface of the silicon substrate;
An epitaxial film is grown only in the trench without growing on the main surface of the silicon substrate by epitaxial growth accompanying supply of a mixed gas of silicon source gas and halide gas, and the epitaxial film is grown on the main surface of the silicon substrate. A second step of filling the trench with an epitaxial film until it is flush with the surface,
A method for manufacturing a semiconductor substrate, comprising:
前記マスクを残した状態で、シリコンソースガスとハロゲン化物ガスの混合ガスの供給に伴うエピタキシャル成長により前記トレンチ内のみにエピタキシャル膜を成長し、かつ、当該エピタキシャル膜がシリコン基板の主表面と面一となるまでトレンチをエピタキシャル膜によって埋め込む第2工程と、
前記マスクを除去する第3工程と、
を有することを特徴とする半導体基板の製造方法。 A first step of disposing a trench forming mask on the main surface of the silicon substrate and etching the silicon substrate from the trench forming mask opening in the mask to form a trench;
With the mask remaining, an epitaxial film is grown only in the trench by epitaxial growth accompanying supply of a mixed gas of silicon source gas and halide gas, and the epitaxial film is flush with the main surface of the silicon substrate. A second step of filling the trench with an epitaxial film until
A third step of removing the mask;
A method for manufacturing a semiconductor substrate, comprising:
前記マスクを残した状態で、シリコンソースガスとハロゲン化物ガスの混合ガスの供給に伴うエピタキシャル成長により前記トレンチ内のみにエピタキシャル膜を成長し、かつ、当該エピタキシャル膜がトレンチ形成用マスクの表面よりも高くなるまでトレンチをエピタキシャル膜によって埋め込む第2工程と、
前記マスクをストッパとして前記シリコン基板の主表面側の前記エピタキシャル膜を研磨してシリコン基板の主表面側を平坦化する第3工程と、
前記マスクを除去する第4工程と、
を有することを特徴とする半導体基板の製造方法。 A first step of disposing a trench forming mask on the main surface of the silicon substrate and etching the silicon substrate from the trench forming mask opening in the mask to form a trench;
With the mask remaining, an epitaxial film is grown only in the trench by epitaxial growth accompanying supply of a mixed gas of silicon source gas and halide gas, and the epitaxial film is higher than the surface of the trench formation mask. A second step of filling the trench with an epitaxial film until
A third step of planarizing the main surface side of the silicon substrate by polishing the epitaxial film on the main surface side of the silicon substrate using the mask as a stopper;
A fourth step of removing the mask;
A method for manufacturing a semiconductor substrate, comprising:
前記マスクを残した状態で、シリコンソースガスとハロゲン化物ガスの混合ガスの供給に伴うエピタキシャル成長により前記トレンチ内を含めたマスク上に成膜してトレンチをエピタキシャル膜によって埋め込む第2工程と、
前記マスクをストッパとして前記マスクの上側の膜を研磨してシリコン基板の主表面側を平坦化する第3工程と、
前記マスクを除去する第4工程と、
を有することを特徴とする半導体基板の製造方法。 A first step of disposing a trench forming mask on the main surface of the silicon substrate and etching the silicon substrate from the trench forming mask opening in the mask to form a trench;
A second step of forming a film on the mask including the inside of the trench by epitaxial growth accompanying supply of a mixed gas of a silicon source gas and a halide gas and filling the trench with an epitaxial film while leaving the mask;
A third step of planarizing the main surface side of the silicon substrate by polishing the upper film of the mask using the mask as a stopper;
A fourth step of removing the mask;
A method for manufacturing a semiconductor substrate, comprising:
Y<0.2X+0.1
を満たすようにしたことを特徴とする請求項1〜23のいずれか1項に記載の半導体基板の製造方法。 When epitaxially growing in the second step, when the trench aspect ratio is less than 10, when the standard flow rate of the halide gas is X [slm] and the growth rate is Y [μm / min],
Y <0.2X + 0.1
The method for manufacturing a semiconductor substrate according to claim 1, wherein:
Y<0.2X+0.05
を満たすようにしたことを特徴とする請求項1〜23のいずれか1項に記載の半導体基板の製造方法。 When epitaxially growing in the second step, when the trench aspect ratio is 10 or more and less than 20, when the standard flow rate of the halide gas is X [slm] and the growth rate is Y [μm / min],
Y <0.2X + 0.05
The method for manufacturing a semiconductor substrate according to claim 1, wherein:
Y<0.2X
を満たすようにしたことを特徴とする請求項1〜23のいずれか1項に記載の半導体基板の製造方法。 When epitaxially growing in the second step, when the trench aspect ratio is 20 or more, when the standard flow rate of the halide gas is X [slm] and the growth rate is Y [μm / min],
Y <0.2X
The method for manufacturing a semiconductor substrate according to claim 1, wherein:
エピタキシャル成長のために前記チャンバー内に供給するシリコンソースガスの流量を調整するための第1のガス流量調整手段と、
エピタキシャル成長時に前記チャンバー内に供給するハロゲン化物ガスの流量を調整するための第2のガス流量調整手段と、
前記チャンバー内の成長温度を調整するための温度調整手段と、
前記チャンバー内の成長圧力を調整するための圧力調整手段と、
前記チャンバー内においてチャック台に固定された前記シリコン基板でのエピタキシャル成膜時の表面温度をモニターするパイロメータと、
前記パイロメータで、シリコン基板の主表面側から、トレンチに埋め込むエピタキシャル膜の表面温度をモニターし、所定の測定温度におけるパイロメータの出力信号レベルが変化しなくなった時点で、第1のガス流量調整手段と第2のガス流量調整手段と温度調整手段と圧力調整手段のうちの少なくともいずれかにより、シリコンソースガスの流量、ハロゲン化物ガスの流量、成長温度、成長圧力のうちの少なくともいずれか1つを制御して成長速度を速くする条件に切り替える切替手段と、
を備えたことを特徴とするエピタキシャル成長装置。 A chuck base for fixing the silicon substrate disposed in the chamber and having a trench formed on the main surface;
First gas flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the silicon source gas supplied into the chamber for epitaxial growth;
Second gas flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the halide gas supplied into the chamber during epitaxial growth;
Temperature adjusting means for adjusting the growth temperature in the chamber;
Pressure adjusting means for adjusting the growth pressure in the chamber;
A pyrometer for monitoring a surface temperature during epitaxial film formation on the silicon substrate fixed to a chuck base in the chamber;
The pyrometer monitors the surface temperature of the epitaxial film embedded in the trench from the main surface side of the silicon substrate, and when the output signal level of the pyrometer at a predetermined measurement temperature stops changing, the first gas flow rate adjusting means At least one of the flow rate of the silicon source gas, the flow rate of the halide gas, the growth temperature, and the growth pressure is controlled by at least one of the second gas flow rate adjusting means, the temperature adjusting means, and the pressure adjusting means. And switching means for switching to a condition for increasing the growth rate,
An epitaxial growth apparatus comprising:
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