JP2010129820A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 耐圧が高いトレンチ構造を有する半導体装置を効率よく製造する方法を提供する。
【解決手段】 トレンチ内の下部に絶縁層が形成されており、絶縁層の上部のトレンチの壁面に絶縁膜が形成されており、絶縁層の上部のトレンチ内に電極が形成されている構造を有する半導体装置の製造方法であって、シリコン基板の表面にトレンチを形成するトレンチ形成工程と、トレンチ内の下部に絶縁体を充填して第１絶縁層を形成する第１絶縁層形成工程と、第１絶縁層上にシリコン溶液を塗布するシリコン溶液塗布工程と、塗布したシリコン溶液を固化させるシリコン固化工程と、固化させたシリコンを酸化させて第２絶縁層を形成するとともに、トレンチの壁面を酸化させてその壁面に絶縁膜を形成するシリコン酸化工程と、第２絶縁層の上部のトレンチ内に導体を充填して電極を形成する電極形成工程を有している。
【選択図】図８

Description

本発明は、トレンチ内の下部に絶縁層が形成されており、絶縁層の上部のトレンチ内に電極が形成されており、電極と接する範囲のトレンチの壁面に絶縁膜が形成されている構造を有する半導体装置の製造方法に関する。

トレンチ内の下部に絶縁層が形成されており、絶縁層の上部のトレンチ内に電極が形成されており、電極と接する範囲のトレンチの壁面に絶縁膜が形成されている構造を有する半導体装置が知られている。この種のトレンチ構造は、一般的には以下のようにして形成される。すなわち、最初に、シリコン基板にトレンチを形成する。次に、トレンチ内に絶縁体を充填する。次に、絶縁体をエッチングして、トレンチ内の下部にのみ絶縁体を残存させる。これによって、図１２に示すように、トレンチ内の下部に絶縁層１００を形成する。次に、熱酸化法等によってシリコン基板の表面を酸化させる。これによって、図１３に示すように、シリコン基板の表面に酸化シリコンからなる絶縁膜１０２を形成する。このとき、トレンチの壁面にも絶縁膜１０２が形成される。絶縁膜１０２を形成したら、図１４に示すように、トレンチ内（絶縁層１００の上部）に導体を充填して電極１０４を形成する。これによって、トレンチ構造が完成する。

特開２００７−３１７７７９号

上述した方法によりトレンチ構造を形成すると、図１４に示すように、電極１０４の下端に角部１０４ａが形成される。電極１０４に角部１０４ａが形成されると、その角部１０４ａ近傍に電界が集中し易くなる。
また、図１２に示すように、絶縁膜１０２の形成前においては、絶縁層１００の上面がトレンチの壁面に対して略垂直となっている。このため、絶縁膜１０２を形成する際に、絶縁層１００の上面とトレンチの壁面の境界部１００ａ（図１４の角部１０４ａに対応する部分）に酸化ガスが到達し難い。また、境界部１００ａでは、絶縁層１００によってトレンチの壁面の酸化による体積膨張が抑制される。したがって、図１３に示すように、境界部１００ａ近傍では絶縁膜１０２が厚く形成されない。このため、図１４に示すように電極１０４の角部１０４ａの近傍（側方）では、絶縁膜１０２が薄くなる。このように、電界が集中し易い角部１０４ａの近傍で絶縁膜１０２が最も薄くなるため、このトレンチ構造は耐圧が非常に低いという問題があった。

特許文献１には、電極の角部近傍の絶縁膜（酸化シリコン膜）を局所的に厚く形成することによって、上記の問題を解決する技術が開示されている。しかしながら、特許文献１のトレンチ構造の形成方法では、トレンチの内面にマスキング用のシリコン窒化膜を形成し、形成したシリコン窒化膜を部分的にエッチングして形状を調整する必要がある。また、絶縁膜形成後には、シリコン窒化膜を除去する必要がある。このように、特許文献１の技術では、最終的に不要となるシリコン窒化膜の形成や除去のために多くの工程を追加する必要があり、半導体装置の製造効率が低下するという問題があった。

本発明は、上述した実情に鑑みて創作されたものであり、耐圧が高いトレンチ構造を有する半導体装置を効率よく製造する方法を提供することを目的とする。

本発明の半導体装置の製造方法では、トレンチ内の下部に絶縁層が形成されており、絶縁層の上部のトレンチ内に電極が形成されており、電極と接する範囲のトレンチの壁面に絶縁膜が形成されている構造を有する半導体装置を製造する。この製造方法は、シリコン基板の表面にトレンチを形成するトレンチ形成工程と、トレンチ内の下部に絶縁体を充填して第１絶縁層を形成する第１絶縁層形成工程と、第１絶縁層上にシリコン溶液を塗布するシリコン溶液塗布工程と、塗布したシリコン溶液を固化させるシリコン固化工程と、固化させたシリコンを酸化させて第２絶縁層を形成するとともに、トレンチの壁面を酸化させてその壁面に絶縁膜を形成するシリコン酸化工程と、第２絶縁層の上部のトレンチ内に導体を充填して電極を形成する電極形成工程を有している。
この製造方法では、トレンチ内の下部に第１絶縁層を形成した後に、第１絶縁層上（すなわち、トレンチ内）にシリコン溶液（シリコンを含有する溶液）を塗布する。シリコン溶液は、トレンチの壁面であるシリコンとの親和性が高い。したがって、塗布されたシリコン溶液が第１絶縁層の上面とトレンチの壁面に沿って分布し、シリコン溶液の表面が凹状の曲面形状となる。その後、シリコン溶液を固化させると、固化させたシリコンの表面もシリコン溶液と同様に凹状の曲面形状となる。次に、固化させたシリコンを酸化させて第２絶縁層（酸化シリコン層）に変化させるとともに、トレンチの壁面を酸化させてその壁面に絶縁膜（酸化シリコン膜）を形成する。上述したように、固化させたシリコンの表面が凹状の曲面形状となっているので、第２絶縁層の表面も凹状の曲面形状となる。また、固化させたシリコンがトレンチの壁面に沿って薄く分布しているので、その薄いシリコンを通過して薄いシリコンに覆われている範囲のトレンチの壁面にも多くの酸化ガスが到達する。また、固化させたシリコンは薄いので、トレンチの壁面の酸化時の体積膨張を阻害することもない。したがって、固化させたシリコンに覆われている範囲のトレンチの壁面にも絶縁膜が成長する。第２絶縁層と絶縁膜を形成したら、第２絶縁層の上部のトレンチ内に導体を充填して電極を形成する。第２絶縁層の表面が凹状の曲面形状であるので、電極の下端の形状は凸状の曲面形状となる。すなわち、電極の下端に角部が形成されない。これによって、電極の下端に角部が形成されておらず、かつ、電極の下端の側方に十分な厚さを有する絶縁体（第２絶縁層と絶縁膜）が形成されているトレンチ構造が完成する。したがって、このトレンチ構造は、電極の下端に電界が集中し難く、かつ、電極の下端近傍の絶縁耐圧が高い。この製造方法によれば、耐圧が高い半導体装置を製造することができる。また、この製造方法では、トレンチの内面にマスキングを目的とする膜を形成する必要がなく、高い製造効率で半導体装置を製造することができる。

上述した製造方法では、シリコン溶液を塗布する工程の前に、トレンチの壁面を酸化させてその壁面に犠牲酸化膜を形成し、その後、犠牲酸化膜をエッチングにより除去する工程をさらに有していることが好ましい。
犠牲酸化膜の形成と除去を実施することで、トレンチの壁面に異物等が付着していない清廉なシリコンを露出させることができる。したがって、シリコン溶液を塗布する際にシリコン溶液がトレンチの壁面になじみ易い。シリコン溶液の表面が適切に凹状の曲面形状となる。

本発明の半導体装置の製造方法によれば、耐圧が高いトレンチ構造を有する半導体装置を効率よく製造することができる。

（実施例）
実施例に係る半導体装置の製造方法について説明する。実施例の製造方法では、図１の部分断面図に示すＭＯＳＦＥＴ１０を製造する。

図１に示すように、ＭＯＳＦＥＴ１０は、半導体基板１２と、半導体基板１２の上面及び下面に形成されている電極、絶縁膜等によって形成されている。半導体基板１２中には、Ｎ型のソース領域１４、Ｐ型のボディ領域１６、Ｎ⁻型のドリフト領域１８、及び、Ｎ^＋型のドレイン領域２０が形成されている。半導体基板１２には、その上面から、ソース領域１４とボディ領域１６を貫通してドリフト領域１８に達するトレンチ３０が形成されている。トレンチ３０の下端近傍のドリフト領域１８内には、Ｐ型のフローティング領域２１が形成されている。トレンチ３０内の下部には、酸化シリコン層２２が形成されている。トレンチ３０の上部の壁面には、酸化シリコンからなるゲート絶縁膜２４が形成されている。トレンチ３０内の上部には、ポリシリコンからなるゲート電極２６が形成されている。ゲート電極２６の上部は、キャップ絶縁膜３２に覆われている。半導体基板１２の上面には、ソース電極３４が形成されている。半導体基板１２の下面には、ドレイン電極３６が形成されている。

このＭＯＳＦＥＴ１０では、フローティング領域２１によって、ＭＯＳＦＥＴ１０のオフ時にボディ領域１６とドリフト領域１８の界面に電界が集中することが抑制されている。また、ゲート電極２６の下端が曲面形状に形成されており、その下端に角部が形成されていない。したがって、ＭＯＳＦＥＴ１０のオフ時にゲート電極２６の下端近傍に電界が集中することが抑制されている。これによって、ＭＯＳＦＥＴ１０の耐圧が向上されている。

ＭＯＳＦＥＴ１０の製造方法について説明する。なお、本実施形態の製造方法は、トレンチゲート構造を形成する工程に特徴を有しているので、その他の工程については詳細な説明を省略する。
ＭＯＳＦＥＴ１０は、ドリフト領域１８と略同じＮ型不純物濃度を有するシリコンウエハ（以下、シリコンウエハ５０という）から製造される。最初に、シリコンウエハ５０の上面側に拡散層（ソース領域１４、ボディ領域１６）を形成する。その後、トレンチ形成工程を実施する。

（トレンチ形成工程）
トレンチ形成工程では、最初に、シリコンウエハ５０の上面にマスク層を形成する。マスク層は、トレンチ３０に対応する範囲に開口を設けた形状に形成する。その後、上面側からＲＩＥ法によってシリコンウエハ５０をエッチングする。シリコンウエハ５０をエッチングしたら、マスク層をエッチング等により除去する。これによって、図２に示すように、シリコンウエハ５０の上面にトレンチ３０が形成される。

（フローティング領域形成工程）
トレンチ形成工程が終了したら、シリコンウエハ５０の上面側からトレンチ３０の底面にＰ型不純物をイオン注入する。その後、シリコンウエハ５０を熱処理することによって、注入したＰ型不純物を活性化させる。これによって、図３に示すように、トレンチ３０の下端近傍にフローティング領域２１が形成される

（酸化シリコン層形成工程）
フローティング領域形成工程が終了したら、ＣＶＤ法によって、シリコンウエハ５０の上面上に酸化シリコンを堆積させる。ＣＶＤ法によれば、トレンチ３０の内面上にも酸化シリコンを堆積させることができる。したがって、図４に示すように、シリコンウエハ５０の上面上とトレンチ３０内に酸化シリコン層４２が形成される。ＣＶＤ法は埋め込み性が高いので、トレンチ３０内に隙間無く酸化シリコン層４２が充填される。
なお、ＣＶＤ法を行う前に、熱酸化法等によってシリコンウエハ５０の表面に薄い酸化シリコン膜を形成しておいてもよい。薄い酸化シリコン膜形成後に酸化シリコン層４２を形成することで、酸化シリコン層４２とシリコンウエハ５０との界面順位を安定化させることができる。

（酸化シリコン層エッチング工程）
酸化シリコン層形成工程が終了したら、ＲＩＥ法によって、シリコンウエハ５０の上面側から酸化シリコン層４２をエッチングする。これによって、図５に示すように、トレンチ３０内の下部にのみ酸化シリコン層４２を残存させ、その他の酸化シリコン層４２（シリコンウエハ５０の上面上の酸化シリコン層４２とトレンチ３０内の上部の酸化シリコン層４２）を除去する。残存した酸化シリコン層４２の上面は、トレンチ３０の壁面に対して略垂直な平面形状となる。なお、酸化シリコン層エッチング工程は、残存させる酸化シリコン層４２の上面が、ボディ領域１６の下端より下側に位置するように行う。

（犠牲酸化膜形成工程）
酸化シリコン層エッチング工程が終了したら、シリコンウエハ５０を熱処理することによって、図６に示すように、シリコンウエハ５０の表面に犠牲酸化膜５２（酸化シリコン膜）を形成する。
なお、酸化シリコン層４２は、酸化シリコン層形成工程におけるＣＶＤ法によって、トレンチ３０の一方の壁面に堆積する酸化シリコンと、他方の壁面に堆積する酸化シリコンとがトレンチ３０の中央部で接触することによって形成されている。したがって、酸化シリコン層４２の中心部にはシーム（酸化シリコン同士が物理的に接触しているが、化学的に結合していない部分）が存在している。犠牲酸化膜形成工程では、酸化シリコン層４２とシリコンウエハ５０（すなわち、シリコン層）との界面にも少量の酸化ガスが拡散するため、その界面でも酸化シリコンが成長する。これによって、酸化シリコン層４２の緻密化が図られ、シームを減少させることができる。

（犠牲酸化膜除去工程）
犠牲酸化膜形成工程が終了したら、シリコンウエハ５０をバッファードフッ酸に浸漬して、犠牲酸化膜５２をウェットエッチングする。これによって、犠牲酸化膜５２を除去する。犠牲酸化膜５２を除去することによって、トレンチ３０の内面に、異物等がほとんど存在しない清廉なシリコン層が露出する。
なお、犠牲酸化膜除去工程では、酸化シリコン層４２の表面もエッチングされる。上述したように、犠牲酸化膜形成工程において酸化シリコン層４２の緻密化が図られているので、犠牲酸化膜除去工程では酸化シリコン層４２の上面が均一にエッチングされる。したがって、エッチング後においても、酸化シリコン層４２の上面は略平面形状となる。

（シリコン溶液塗布工程）
犠牲酸化膜除去工程が終了したら、トレンチ３０内（すなわち、酸化シリコン層４２上）にシリコン溶液を塗布する。
シリコン溶液は、溶媒液にシリコンを溶解させた溶液である。シリコン溶液は、固体シリコンに対する親和性が高い。親和性が高いとは、図７に示すようにシリコン溶液８０を固体シリコン９０に接触させたときに、固体シリコン９０の表面（シリコン溶液８０と接触している部分の表面）とシリコン溶液８０の表面とがなす角度（図７の角度θ１）が９０度未満となることを意味する。
トレンチ３０内に塗布されたシリコン溶液は、固体シリコン（すなわち、トレンチ３０の壁面）に対する親和性と自身の表面張力によって、図８の参照番号４４に示すように、トレンチ３０の壁面に近い位置ほどその表面が上側に突出するように分布する。すなわち、トレンチ３０の壁面に沿って突出部４４ａが形成され、表面が凹状の曲面形状となるように分布する。特に、本実施例では、シリコン溶液の塗布前に犠牲酸化膜形成工程と犠牲酸化膜除去工程を実施して、トレンチ３０の壁面を洗浄化している。このため、シリコン溶液４４とトレンチ３０の壁面との親和性がより高くなり、突出部４４ａの突出量が十分に大きくなる。シリコン溶液４４の塗布は、塗布後のシリコン溶液４４の突出部４４ａの上端の位置がボディ領域１６の下端より下側に位置するように行う。

（シリコン結晶化工程）
シリコン溶液塗布工程が終了したら、シリコンウエハ５０を窒素雰囲気下で約５４０度に加熱する。その後、エキシマレーザをシリコンウエハ５０に照射する。これによって、塗布したシリコン溶液４４を結晶化（固体化）させる。上述したように、シリコン溶液４４は表面が凹状の曲面形状となるように分布しているので、結晶化されたシリコン層４４も上面が凹状の曲面形状となる。

（熱酸化工程）
シリコン結晶化工程が終了したら、シリコンウエハ５０を水蒸気雰囲気下で熱処理する。これによって、シリコン層４４を酸化させ、図９に示すように酸化シリコン層４４に変化させる。酸化シリコン層４４は、酸化前のシリコン層４４と略同じ形状となる。形成された酸化シリコン層４４とその下部の酸化シリコン層４２によって、図１の酸化シリコン層２２が形成される。また、熱酸化工程では、シリコン層４４と同時に、トレンチ３０の壁面も酸化される。これによって、トレンチ３０の壁面に酸化シリコン膜２４（ゲート絶縁膜２４）が形成される。特に、シリコン層４４のうちのトレンチ３０の壁面に沿って形成されている突出部４４ａは、厚さ（図８の左右方向における幅）が薄い。したがって、熱酸化工程では、多くの酸化ガスが、突出部４４ａを通過して、突出部４４ａと接するトレンチ３０の壁面まで到達する。したがって、突出部４４ａと接しているトレンチ３０の壁面にも比較的厚く酸化シリコン膜２４が成長する。

（電極形成工程）
熱酸化工程が終了したら、シリコンウエハ５０を洗浄する。その後、ＣＶＤ法等によって、シリコンウエハ５０の上面にポリシリコンを堆積させる。これによって、図１０に示すように、ポリシリコン層２６を形成する。この際、トレンチ３０内にもポリシリコンが堆積し、トレンチ３０内がポリシリコン層２６で充填される。ポリシリコン層２６を形成したら、シリコンウエハ５０の上面側からポリシリコン層２６をエッチングする。これによって、図１１に示すように、トレンチ３０内にポリシリコン層２６を残存させ、シリコンウエハ５０の上面上のポリシリコン層２６を除去する。残存したポリシリコン層２６がゲート電極２６となる。

以上の工程によって、トレンチゲート構造が完成する。トレンチゲート構造を形成したら、シリコンウエハ５０の下面側に拡散層（ドレイン層）を形成する。また、その他の必要な構造（電極、絶縁膜等）を形成する。その後、シリコンウエハ５０をダイシングにより分割する。これによって、図１に示すＭＯＳＦＥＴ１０が製造される。

図１に示すように、この製造方法によって製造されたＭＯＳＦＥＴ１０では、ゲート電極２６の下端が曲面状に形成される。すなわち、ゲート電極２６の下端に角部が形成されない。したがって、ゲート電極２６の下端近傍に電界が集中し難い。また、ゲート電極２６の下端の側方には酸化シリコン層４４（突出部４４ａ）が存在しており、また、突出部４４ａと隣接する部分には酸化シリコン膜２４が形成されている。したがって、ゲート電極２６の下端近傍に、絶縁層が薄い箇所が存在しない。したがって、ゲート電極２６の下端近傍の絶縁層の絶縁耐圧が高い。このように、ゲート電極２６の下端近傍の電界集中が抑制されるとともに、その近傍の絶縁層の絶縁耐圧が確保されていることから、ＭＯＳＦＥＴ１０はゲート電極２６の下端近傍で絶縁破壊し難い。ＭＯＳＦＥＴ１０は耐圧が高い。
また、この製造方法では、トレンチ３０の壁面にマスキング用の膜を形成する必要が無い。シリコン溶液塗布工程とシリコン結晶化工程を追加するだけでゲート電極２６の下端近傍の耐圧を向上させることが可能であり、高効率でＭＯＳＦＥＴ１０を製造することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

ＭＯＳＦＥＴ１０の断面図。 トレンチ形成工程後のシリコンウエハ５０の断面図。 フローティング領域形成工程後のシリコンウエハ５０の断面図。 酸化シリコン層形成工程後のシリコンウエハ５０の断面図。 酸化シリコン層エッチング工程後のシリコンウエハ５０の断面図。 犠牲酸化膜形成工程後のシリコンウエハ５０の断面図。 シリコン溶液の親和性の説明図。 シリコン溶液塗布工程後のシリコンウエハ５０の断面図。 熱酸化工程後のシリコンウエハ５０の断面図。 ポリシリコン層２６形成後のシリコンウエハ５０の断面図。 ポリシリコン層２６エッチング後のシリコンウエハ５０の断面図。 従来のトレンチ構造の形成方法における絶縁層１００形成後のシリコン基板の断面図。 従来のトレンチ構造の形成方法における絶縁膜１０２形成後のシリコン基板の断面図。 従来のトレンチ構造の形成方法における電極１０４形成後のシリコン基板の断面図。

符号の説明

１０：ＭＯＳＦＥＴ
１２：半導体基板
１４：ソース領域
１６：ボディ領域
１８：ドリフト領域
２０：ドレイン領域
２１：フローティング領域
２２：酸化シリコン層
２４：ゲート絶縁膜
２６：ゲート電極
３０：トレンチ
３２：キャップ絶縁膜
３４：ソース電極
３６：ドレイン電極
４２：酸化シリコン層
４４：酸化シリコン層
４４ａ：突出部
５０：シリコンウエハ
５２：犠牲酸化膜

Claims (2)

1. トレンチ内の下部に絶縁層が形成されており、絶縁層の上部のトレンチ内に電極が形成されており、電極と接する範囲のトレンチの壁面に絶縁膜が形成されている構造を有する半導体装置の製造方法であって、
   シリコン基板の表面にトレンチを形成するトレンチ形成工程と、
   トレンチ内の下部に絶縁体を充填して第１絶縁層を形成する第１絶縁層形成工程と、
   第１絶縁層上にシリコン溶液を塗布するシリコン溶液塗布工程と、
   塗布したシリコン溶液を固化させるシリコン固化工程と、
   固化させたシリコンを酸化させて第２絶縁層を形成するとともに、トレンチの壁面を酸化させてその壁面に絶縁膜を形成するシリコン酸化工程と、
   第２絶縁層の上部のトレンチ内に導体を充填して電極を形成する電極形成工程、
   を有している半導体装置の製造方法。
2. シリコン溶液塗布工程の前に、トレンチの壁面を酸化させてその壁面に犠牲酸化膜を形成し、その後、犠牲酸化膜をエッチングにより除去する工程をさらに有していることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。

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