JP2020047729A - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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本明細書に開示の技術は、半導体装置の製造方法に関する。 The technology disclosed in this specification relates to a method for manufacturing a semiconductor device.
特許文献1には、半導体基板の上面に設けられたトレンチの底部に、絶縁層が形成された半導体装置が開示されている。この半導体装置を製造する際には、まず、トレンチの内面に第1の圧力の下で化学気相成長を行うことによって第1の絶縁層を形成する。そして、第1の絶縁層の表面に、トレンチ内に第1の圧力よりも高い第2の圧力の下で化学気相成長を行うことによって第2の絶縁層を形成する。また、第1の絶縁層及び第2の絶縁層が形成された後の工程で、半導体基板に対して熱処理を実施する。 Patent Literature 1 discloses a semiconductor device in which an insulating layer is formed at a bottom of a trench provided on an upper surface of a semiconductor substrate. In manufacturing the semiconductor device, first, a first insulating layer is formed on the inner surface of the trench by performing chemical vapor deposition under a first pressure. Then, a second insulating layer is formed on the surface of the first insulating layer by performing chemical vapor deposition in the trench under a second pressure higher than the first pressure. Further, in a step after the first insulating layer and the second insulating layer are formed, heat treatment is performed on the semiconductor substrate.
特許文献1の製造方法では、第1の絶縁層が第1の圧力(すなわち、比較的低い圧力)の下で形成されるため、第1の絶縁層は、形成される速度が遅く、密な絶縁層となる。一方、第2の絶縁層は、第1の圧力よりも高い第2の圧力(すなわち、比較的高い圧力)の下で形成されるため、第2の絶縁層は、形成される速度が速く、疎な絶縁層となる。 In the manufacturing method of Patent Literature 1, the first insulating layer is formed under the first pressure (that is, relatively low pressure). It becomes an insulating layer. On the other hand, since the second insulating layer is formed under a second pressure higher than the first pressure (that is, a relatively high pressure), the second insulating layer is formed at a higher speed, It becomes a sparse insulating layer.
特許文献1の製造方法では、第1の絶縁層及び第2の絶縁層を形成した後に半導体基板に対する熱処理を実施するため、第1の絶縁層及び第2の絶縁層が熱収縮する。密な絶縁層である第1の絶縁層は、疎な絶縁層である第2の絶縁層よりも、熱処理による収縮が小さい。このように、特許文献1の製造方法では、トレンチの内面に収縮し難い第1の絶縁層が形成されるため、トレンチ内で高い応力が生じ難く、第1の絶縁層及び第2の絶縁層にクラックが生じることが抑制されると記載されている。 In the manufacturing method of Patent Literature 1, a heat treatment is performed on the semiconductor substrate after the first insulating layer and the second insulating layer are formed, so that the first insulating layer and the second insulating layer thermally contract. The first insulating layer, which is a dense insulating layer, has less shrinkage due to heat treatment than the second insulating layer, which is a sparse insulating layer. As described above, in the manufacturing method of Patent Document 1, since the first insulating layer that is not easily shrunk is formed on the inner surface of the trench, high stress is hardly generated in the trench, and the first insulating layer and the second insulating layer are not formed. It is described that the occurrence of cracks is suppressed.
特許文献1の技術では、比較的低い圧力の下で化学気相成長を行うことによって第1の絶縁層が形成されるため、第1の絶縁層の膜厚が、トレンチの底部で薄く、トレンチの底部から上部に向かうにつれて厚くなる。このため、第2の絶縁層を形成する際に、トレンチの上端が閉塞し易く、第2の絶縁層の内部にボイド(空隙)やシーム(堆積層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)が生じ易い。このため、熱処理によって、ボイドやシームを起点として絶縁層にクラックが生じる場合がある。本明細書では、トレンチ内に形成される絶縁層のクラックを抑制できる技術を提供する。 In the technique of Patent Document 1, since the first insulating layer is formed by performing chemical vapor deposition under a relatively low pressure, the thickness of the first insulating layer is thin at the bottom of the trench, Becomes thicker from the bottom to the top. For this reason, when the second insulating layer is formed, the upper end of the trench is easily closed, and voids (voids) and seams (the deposited layers are in physical contact with each other) inside the second insulating layer. (A part that is not chemically bonded). Therefore, the heat treatment may cause cracks in the insulating layer starting from voids or seams. The present specification provides a technique capable of suppressing cracks in an insulating layer formed in a trench.
本明細書が開示する半導体装置の製造方法は、半導体基板の上面に形成されたトレンチの内面に、150Pa以上300Pa以下の圧力の下で化学気相成長を行うことによって第1の絶縁層を形成する工程と、前記第1の絶縁層を形成した後に、前記半導体基板を熱処理して、前記第1の絶縁層を収縮させる第1熱処理工程と、前記第1熱処理工程の後に、前記第1の絶縁層の表面に、150Pa以上300Pa以下の圧力の下で化学気相成長を行うことによって第2の絶縁層を形成し、前記第2の絶縁層によって前記トレンチを埋め込む工程と、前記第2の絶縁層を形成した後に、前記半導体基板を熱処理する第2熱処理工程を有する。 In the method for manufacturing a semiconductor device disclosed in this specification, a first insulating layer is formed by performing chemical vapor deposition under a pressure of 150 Pa or more and 300 Pa or less on an inner surface of a trench formed on an upper surface of a semiconductor substrate. Performing a heat treatment on the semiconductor substrate after the first insulating layer is formed to shrink the first insulating layer; and performing the first heat treatment after the first heat treatment. Forming a second insulating layer on the surface of the insulating layer by performing chemical vapor deposition under a pressure of 150 Pa or more and 300 Pa or less, and filling the trench with the second insulating layer; After the insulating layer is formed, a second heat treatment step of heat-treating the semiconductor substrate is provided.
上記の製造方法では、まず、トレンチの内面に150Pa以上300Pa以下の圧力の下で化学気相成長を行うことによって第1の絶縁層を形成した後に、第1の絶縁層を熱処理する。このように、第1の絶縁層は比較的高い圧力の下で形成されるため、第1の絶縁層は、トレンチの内面に比較的均一な厚さで形成される。そして、第1の絶縁層を熱処理することにより、第1の絶縁層が収縮され緻密化される。その後、150Pa以上300Pa以下の圧力(比較的高い圧力)の下で化学気相成長を行うことによって第2の絶縁層を形成する。第1の絶縁層が比較的均一な厚さを有しているので、第2の絶縁層を形成するときに、トレンチの上端が閉塞し難い。したがって、上記の製造方法では、第2の絶縁層を形成する際に、第2の絶縁層の内部にボイドやシームが生じ難い。また、第1の絶縁層は、第1熱処理工程により緻密化されているため、その後の半導体基板の熱処理による収縮が小さく、トレンチ内部に応力が生じ難い。このように、上記の製造方法によれば、トレンチ内に形成される絶縁層のクラックを抑制することができる。 In the above manufacturing method, first, a first insulating layer is formed by performing chemical vapor deposition on the inner surface of the trench under a pressure of 150 Pa or more and 300 Pa or less, and then the first insulating layer is heat-treated. As described above, since the first insulating layer is formed under a relatively high pressure, the first insulating layer is formed with a relatively uniform thickness on the inner surface of the trench. Then, by heat-treating the first insulating layer, the first insulating layer is contracted and densified. After that, the second insulating layer is formed by performing chemical vapor deposition under a pressure of 150 Pa or more and 300 Pa or less (relatively high pressure). Since the first insulating layer has a relatively uniform thickness, the upper end of the trench is not easily closed when forming the second insulating layer. Therefore, in the above-described manufacturing method, when forming the second insulating layer, voids and seams are hardly generated inside the second insulating layer. In addition, since the first insulating layer is densified by the first heat treatment step, shrinkage due to heat treatment of the semiconductor substrate thereafter is small, and stress is hardly generated inside the trench. Thus, according to the above manufacturing method, cracks in the insulating layer formed in the trench can be suppressed.
図1は、実施形態のMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)10を示している。MOSFET10は、半導体基板12と、電極、絶縁層等を備えている。なお、図1では、図の見易さのため、半導体基板12の上面12a上の電極、絶縁層等の図示を省略している。以下では、半導体基板12の上面12aと平行な一方向をx方向といい、上面12aに平行でx方向に直交する方向をy方向といい、半導体基板12の厚み方向をz方向という。半導体基板12は、例えば、SiC(炭化シリコン)によって構成されている。
FIG. 1 shows a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) 10 of the embodiment. The
図1に示すように、半導体基板12の上面12aには、複数のトレンチ22が設けられている。各トレンチ22は、y方向に直線状に長く伸びている。複数のトレンチ22は、x方向に間隔を開けて配列されている。図2に示すように、各トレンチ22の内部に、ゲート絶縁層24とゲート電極26が配置されている。
As shown in FIG. 1, a plurality of
ゲート絶縁層24は、トレンチ22の内面を覆っている。ゲート絶縁層24は、SiO2(二酸化シリコン)によって構成されている。ゲート絶縁層24は、底部絶縁層24aと側面絶縁膜24bを有している。底部絶縁層24aは、トレンチ22の底部に配置されている。また、底部絶縁層24aは、トレンチの底面近傍において、トレンチ22の側面を覆っている。側面絶縁膜24bは、底部絶縁層24aの上部に位置するトレンチ22の側面を覆っている。
The
ゲート電極26は、底部絶縁層24aの上部に配置されている。すなわち、ゲート電極26とトレンチ22の底面の間の絶縁層が、底部絶縁層24aである。また、ゲート電極26とトレンチ22の側面の間の絶縁層が、側面絶縁膜24bである。ゲート電極26は、底部絶縁層24aと側面絶縁膜24bによって半導体基板12から絶縁されている。ゲート電極26の上面は、層間絶縁膜28によって覆われている。
The
側面絶縁膜24bの厚み(すなわち、トレンチ22の側面とゲート電極26の側面の間の間隔)は、底部絶縁層24aの厚み(すなわち、底部絶縁層24aの上面と下面の間の幅(換言すると、ゲート電極26の下端とトレンチ22の底面の間の間隔))よりも薄い。
The thickness of the
図2に示すように、半導体基板12の上面12aには、上部電極70が配置されている。上部電極70は、層間絶縁膜28が設けられていない部分で半導体基板12の上面12aに接している。上部電極70は、層間絶縁膜28によってゲート電極26から絶縁されている。半導体基板12の下面12bには、下部電極72が配置されている。下部電極72は、半導体基板12の下面12bに接している。
As shown in FIG. 2, an
図2に示すように、半導体基板12の内部には、複数のn型のソース領域30、p型のボディ領域32(詳細には、複数のボディコンタクト領域32a、及び、メインボディ領域32b)、n型のドリフト領域34、n型のドレイン領域35及び複数のp型の底部領域36が設けられている。
As shown in FIG. 2, inside the
MOSFET10をターンオンさせる場合には、ゲート電極26にゲートオン電位(ゲート閾値よりも高い電位)を印加する。すると、側面絶縁膜24bに接する範囲のメインボディ領域32bにチャネル(反転層)が形成され、MOSFET10がオンする。MOSFET10をターンオフさせる場合には、ゲート電極26にゲートオフ電位(ゲート閾値以下の電位)を印加する。すると、メインボディ領域32bに形成されていたチャネルが消滅し、MOSFET10がオフする。
When turning on the
次に、図3〜8を参照して、MOSFET10の製造方法について説明する。まず、図3に示すように、半導体基板12の上面にトレンチ22を形成する。なお、図3〜8では、1つのトレンチ22のみを図示しているが、実際には半導体基板12の上面には複数のトレンチ22が形成されている。また、図3〜8では、半導体基板12の内部の素子構造を省略していることに留意されたい。
Next, a method for manufacturing the
次に、図4に示すように、例えば、150Pa以上300Pa以下の圧力の下で、化学気相成長(以下、CVD(Chemical Vapor Deposition)という。)によりトレンチ22の内面に第1の絶縁層40を形成する。このとき、第1の絶縁層40は、トレンチ22の内面及び半導体基板12の上面12aを覆う程度に形成する。すなわち、トレンチ22内を埋め込まないように第1の絶縁層40を形成する。第1の絶縁層40は、比較的高い圧力(150Pa以上300Pa以下)の下で形成されるため、トレンチ22の内面に対して比較的均一な厚さを有する疎な絶縁層となる。
Next, as shown in FIG. 4, the first insulating
次に、図5に示すように、半導体基板12を熱処理して、第1の絶縁層40を収縮させる。これにより、第1の絶縁層40が緻密化される(すなわち、密な絶縁層になる)。第1の絶縁層40を収縮させる工程における半導体基板12の熱処理は、例えば、N2(窒素)雰囲気やAr(アルゴン)雰囲気等の非酸化雰囲気内で実施される。これにより、半導体基板12が酸化されることに起因して半導体基板12中に欠陥が生じることが抑制される。
Next, as shown in FIG. 5, the
次に、図6に示すように、例えば、150Pa以上300Pa以下の圧力の下で、CVDにより第1の絶縁層40の表面に第2の絶縁層42を形成する。このとき、第2の絶縁層42は、トレンチ22内を埋め込むように形成する。第2の絶縁層42は、比較的高い圧力(150Pa以上300Pa以下)の下で形成されるため、疎な絶縁層となる。
Next, as shown in FIG. 6, for example, the second insulating
次に、図7に示すように、半導体基板12を熱処理して、第2の絶縁層42を収縮させる。これにより、第2の絶縁層が緻密化される。第1の絶縁層40は上述した工程において既に緻密化されているため、ほとんど収縮しない。このとき、第2の絶縁層42のエッチングレートが、第1の絶縁層40のエッチングレートと略等しくなるように、第2の絶縁層42を収縮させる。第2の絶縁層42を収縮させる工程における半導体基板12の熱処理は、例えば、N2雰囲気やAr雰囲気等の非酸化雰囲気内で実施される。このため、この工程においても、半導体基板12が酸化されることに起因して半導体基板12中に欠陥が生じることが抑制される。
Next, as shown in FIG. 7, the
次に、図8に示すように、第1の絶縁層40と第2の絶縁層42をドライエッチングすることにより、トレンチ22内の第1の絶縁層40及び第2の絶縁層42の一部、及び、半導体基板12の上面12aの第1の絶縁層40及び第2の絶縁層42を除去する。このとき、図8に示すように、トレンチ22の底部に第1の絶縁層40及び第2の絶縁層42を残存させるようにドライエッチングを実施する。第1の絶縁層40と第2の絶縁層42のエッチングレートが略等しいので、トレンチ22内に残存する第1の絶縁層40の上面と第2の絶縁層42の上面は略平坦になる。なお、残存させた第1の絶縁層40及び第2の絶縁層42が、図2に示す底部絶縁層24aとなる。
Next, as shown in FIG. 8, by dry-etching the first insulating
次に、半導体基板12を熱処理することにより、第1の絶縁層40及び第2の絶縁層42に覆われていない範囲のトレンチ22の内面に犠牲酸化膜を形成する。この熱処理は、第1の絶縁層40の緻密化工程、及び、第2の絶縁層42の緻密化工程と略同じ温度で実施する。次いで、トレンチ22の内面に形成された犠牲酸化膜をウェットエッチングにより除去する。これにより、上述したドライエッチングによってトレンチ22の内面に形成されたダメージ層が除去される。
Next, by subjecting the
次に、半導体基板12を窒化アニールする。窒化アニールは、第1の絶縁層40の緻密化工程、及び、第2の絶縁層42の緻密化工程よりも高い温度で実施する。その後、従来公知の方法で、側面絶縁膜24b、ゲート電極26、層間絶縁膜28、上部電極70、下部電極72等を形成することによって、図1、2に示すMOSFET10が完成する。
Next, the
本実施形態の製造方法では、まず、トレンチ22の内面に、150Pa以上300Pa以下の圧力の下でCVDによって第1の絶縁層40を形成した後に、第1の絶縁層40を熱処理する。このように、第1の絶縁層40が比較的高い圧力の下で形成されるため、第1の絶縁層40は、トレンチ22の内面に比較的均一な厚さで形成される。そして、第1の絶縁層40を熱処理することにより、第1の絶縁層40が収縮され緻密化される。その後、150Pa以上300Pa以下の圧力の下でCVDによって第2の絶縁層42を形成する。第1の絶縁層40が比較的均一な厚さを有しているので、第2の絶縁層42を形成するときに、トレンチ22の上端が閉塞し難い。したがって、本実施形態の製造方法によれば、第2の絶縁層42を形成する際に、第2の絶縁層42の内部にボイドやシームが生じ難い。
In the manufacturing method of this embodiment, first, the first insulating
また、第1の絶縁層40及び第2の絶縁層42は、それぞれの形成後に熱処理されることによって緻密化される。このため、その後の半導体基板12の熱処理(すなわち、犠牲酸化膜の形成のための熱処理や窒化アニール)における第1の絶縁層40及び第2の絶縁層42の収縮が小さく、トレンチ22内部に応力が生じ難い。また、MOSFET10の使用時に底部絶縁層24a(すなわち、第1の絶縁層40及び第2の絶縁層42)が高温になっても、底部絶縁層24aに応力が生じ難い。したがって、本実施形態の製造方法によれば、トレンチ22内に形成される第1の絶縁層40及び第2の絶縁層42(すなわち、底部絶縁層24a)のクラックを抑制することができる。
Further, the first insulating
なお、上述した実施形態では第2の絶縁層42の緻密化工程を実施したが、第2の絶縁層42の緻密化工程を実施しなくてもよい。このような構成では、第2の絶縁層42が緻密化されないので、その後に第2の絶縁層42が高温になると、第2の絶縁層42が収縮し易い。しかしながら、このような構成でも、第1の絶縁層40が収縮せずに第2の絶縁層42が収縮するので、底部絶縁層24a全体が収縮する場合よりも、収縮量が少なくなる。このため、底部絶縁層24aで生じる応力を抑制でき、底部絶縁層24aのクラックを抑制できる。
In the above-described embodiment, the step of densifying the second insulating
また、上述した実施形態では、第1の絶縁層40の緻密化工程と第2の絶縁層42の緻密化工程を非酸化雰囲気内で実施したが、酸化に起因する欠陥が問題とならない場合には、これらの工程を酸化雰囲気内で実施してもよい。
In the above-described embodiment, the steps of densifying the first insulating
本明細書が開示する技術要素について、以下に列記する。なお、以下の各技術要素は、それぞれ独立して有用なものである。 The technical elements disclosed in this specification are listed below. The following technical elements are each independently useful.
本明細書が開示する一例の製造方法では、第2熱処理工程の前に、半導体基板を熱処理して、第2の絶縁層を収縮させる第3熱処理工程と、第3熱処理工程の後であって第2熱処理工程の前に、第1の絶縁層及び第2の絶縁層をエッチングすることにより、トレンチの底部に第1の絶縁層及び第2の絶縁層を残存させる工程をさらに有してもよい。 In one example of the manufacturing method disclosed in this specification, before the second heat treatment step, the semiconductor substrate is heat-treated to contract the second insulating layer, and after the third heat treatment step. Before the second heat treatment step, the method may further include a step of etching the first insulating layer and the second insulating layer to leave the first insulating layer and the second insulating layer at the bottom of the trench. Good.
このような構成では、第3熱処理工程によって第2の絶縁層を収縮させることで、第2の絶縁層のエッチングレートと第1の絶縁層のエッチングレートの差を低減することができる。したがって、第1の絶縁層及び第2の絶縁層をエッチングする際に、残存させた第1の絶縁層の上面及び第2の絶縁層の上面を略平坦にすることができる。 In such a structure, the difference between the etching rate of the second insulating layer and the etching rate of the first insulating layer can be reduced by contracting the second insulating layer in the third heat treatment step. Therefore, when the first insulating layer and the second insulating layer are etched, the remaining upper surface of the first insulating layer and the upper surface of the second insulating layer can be made substantially flat.
本明細書が開示する一例の製造方法では、第1熱処理工程を非酸化雰囲気内で実施し、第3熱処理工程を非酸化雰囲気内で実施してもよい。 In the example manufacturing method disclosed in this specification, the first heat treatment step may be performed in a non-oxidizing atmosphere, and the third heat treatment step may be performed in a non-oxidizing atmosphere.
このような構成では、半導体基板が酸化されることに起因して半導体基板中に欠陥が生じることが抑制される。 In such a configuration, generation of defects in the semiconductor substrate due to oxidation of the semiconductor substrate is suppressed.
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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様々に変形、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。 As described above, specific examples of the present invention have been described in detail, but these are merely examples, and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and alterations of the specific examples illustrated above. The technical elements described in the present specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. The technology illustrated in the present specification or the drawings simultaneously achieves a plurality of objects, and has technical utility by achieving one of the objects.
10:MOSFET
12:半導体基板
12a:上面
12b:下面
22:トレンチ
24:ゲート絶縁層
24a:底部絶縁層
24b:側面絶縁膜
26:ゲート電極
28:層間絶縁膜
30:ソース領域
32:ボディ領域
34:ドリフト領域
35:ドレイン領域
36:底部領域
40:第1の絶縁層
42:第2の絶縁層
70:上部電極
72:下部電極
10: MOSFET
12:
Claims (3)
半導体基板の上面に形成されたトレンチの内面に、150Pa以上300Pa以下の圧力の下で化学気相成長を行うことによって第1の絶縁層を形成する工程と、
前記第1の絶縁層を形成した後に、前記半導体基板を熱処理して、前記第1の絶縁層を収縮させる第1熱処理工程と、
前記第1熱処理工程の後に、前記第1の絶縁層の表面に、150Pa以上300Pa以下の圧力の下で化学気相成長を行うことによって第2の絶縁層を形成し、前記第2の絶縁層によって前記トレンチを埋め込む工程と、
前記第2の絶縁層を形成した後に、前記半導体基板を熱処理する第2熱処理工程、
を有する、製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
Forming a first insulating layer on the inner surface of the trench formed on the upper surface of the semiconductor substrate by performing chemical vapor deposition under a pressure of 150 Pa or more and 300 Pa or less;
After forming the first insulating layer, heat-treating the semiconductor substrate to shrink the first insulating layer;
Forming a second insulating layer on the surface of the first insulating layer by performing chemical vapor deposition under a pressure of 150 Pa or more and 300 Pa or less after the first heat treatment step; Filling the trench by
A second heat treatment step of heat-treating the semiconductor substrate after forming the second insulating layer;
A production method comprising:
前記第3熱処理工程の後であって前記第2熱処理工程の前に、前記第1の絶縁層及び前記第2の絶縁層をエッチングすることにより、前記トレンチの底部に前記第1の絶縁層及び前記第2の絶縁層を残存させる工程、
をさらに有する、請求項1の製造方法。 A third heat treatment step of heat-treating the semiconductor substrate to shrink the second insulating layer before the second heat treatment step;
After the third heat treatment step and before the second heat treatment step, the first insulation layer and the second insulation layer are etched to form the first insulation layer and the second insulation layer at the bottom of the trench. Leaving the second insulating layer,
The production method according to claim 1, further comprising:
前記第3熱処理工程を、非酸化雰囲気内で実施する、
請求項2の製造方法。 Performing the first heat treatment step in a non-oxidizing atmosphere;
Performing the third heat treatment step in a non-oxidizing atmosphere;
The method according to claim 2.
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