JP4244456B2 - 半導体装置の製造方法、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの製造方法及び絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板上に形成されたトレンチを備えた半導体装置を製造する場合に好適する半導体装置の製造方法、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの製造方法及び絶縁ゲート型バイポーラトランジスタに関する。
【0002】
【従来の技術】
ハイブリッドカーや電気自動車(EV)においては、バッテリからの大電流の直流電流をモータなどの駆動系への交流電流に変換するための装置としてインバータモジュールが使用されている。そして、このインバータモジュールとして、例えばIGBT素子(Insulated Gate Bipolar Transistor 、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)が用いられている。
【0003】
また、近年、上記IGBT素子を小形化及び低抵抗化するために、デバイス構造としてトレンチゲート構造を用いたトレンチゲート型IGBT素子が製造されている。このトレンチゲート型IGBT素子では、シリコン基板上にドライエッチング(異方性エッチング)によりトレンチ(深溝)を形成し、このトレンチにゲートを形成している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記トレンチゲート型IGBT素子の場合、トレンチの底部のコーナー部が角張っているため、この部分に形成されたゲート酸化膜の膜質の劣化や薄膜化や電界集中が起こり易くなり、その結果、上記コーナー部でゲート耐圧破壊が発生し易いという問題点があった。
【0005】
これに対して、トレンチの底部のコーナー部を丸める処理を実行すれば、上記問題点を解消することが可能である。そこで、従来より、特開昭64−57623号公報や特開平9−330928号公報に記載された方法により、トレンチの底部のコーナー部を丸めている。これら公報の方法においては、異方性エッチングによりトレンチを形成した後、等方性エッチングを実行することにより、上記コーナー部を丸めている。
【0006】
しかし、コーナー部を丸めるための等方性エッチングを十分に実行すると、過剰なシリコン削れが発生するため、トレンチの形状やデバイス設計に対して悪影響を与えるという欠点があった。このため、等方性エッチングのエッチング量を少なく制限しなければならず、その結果、トレンチの底部のコーナー部の丸めが不十分になり、コーナー部の曲率半径が小さくなるという不具合があった。
【0007】
そこで、本発明の目的は、トレンチの底部のコーナー部を十分に丸めることができ、しかも、過剰なシリコン削れの発生を防止することができる半導体装置の製造方法、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの製造方法及び絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明によれば、異方性エッチングを行うことによりトレンチを形成した後、順テーパエッチングを行うことによりトレンチの底部のコーナー部を順テーパ形状に加工し、この後、等方性エッチングを行うことによりトレンチの底部のコーナー部を丸めるように構成し、更に、前記順テーパエッチングを、前記トレンチの側壁に保護膜を堆積させながらエッチングするドライエッチングとすると共に、イオンの入射方向の垂直成分を低下させたドライエッチングとし、更に、エッチング槽内の圧力を高くしたドライエッチングとした。この構成によれば、順テーパエッチングによりトレンチの底部のコーナー部を順テーパ形状に加工した、即ち、コーナー部を面取りしたので、その後の等方性エッチングのエッチング量が少なくても、トレンチの底部のコーナー部の曲率半径を大きくすることができる。
【0009】
換言すると、上記構成によれば、順テーパエッチングによる深さ及び側壁角度と、等方性エッチングのエッチング量とによって、トレンチの底部のコーナー部の曲率半径を自由に制御することが可能になる。従って、等方性エッチングのエッチング量を少なく設定しても、トレンチの底部のコーナー部を十分に丸めることができ、しかも、過剰なシリコン削れの発生を防止することができる。
【0012】
請求項2の発明によれば、順テーパエッチングとして、出力を低下させたドライエッチングを用いるように構成したので、順テーパエッチングを容易に実現することができる。
【0014】
請求項3の発明によれば、順テーパエッチングとして、ウエハの面方位を制御しながらエッチングするウェットエッチングを用いるように構成したので、順テーパエッチングを容易に実現することができる。
【0015】
請求項4の発明によれば、トレンチゲート型のIGBT素子(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)の製造方法に、請求項1の発明の方法を適用したので、トレンチゲート型のIGBT素子のトレンチの底部のコーナー部において電界集中の発生を防止することができ、上記IGBT素子のゲート耐圧を向上させることができる。
【0016】
請求項5の発明のIGBT素子(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)は、請求項1の発明の方法により形成されたトレンチと、このトレンチに形成され下端部が丸められたゲート電極とを備えているので、トレンチの底部のコーナー部において電界集中の発生を防止することができ、ゲート耐圧を向上させることができる。
【0017】
請求項6の発明によれば、トレンチの底部のコーナー部の丸められた部分の曲率半径を、0.3〜0.5μmに設定したので、トレンチの底部のコーナー部において電界集中の発生を十分に防止することができ、ゲート耐圧を向上させることができ、IGBT素子の特性を向上させることができる。
【0018】
請求項7の発明によれば、トレンチの内面に形成するゲート酸化膜の厚み寸法を、50〜150μmに設定したので、ゲート耐圧を十分なものとし得ると共に、スイッチング速度を十分速くすることが可能となり、IGBT素子の特性を向上させることができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をnチャネルタイプのトレンチゲート型IGBT素子に適用した一実施例について、図面を参照しながら説明する。まず、図2は、本実施例のトレンチゲート型IGBT素子の縦断面構造を概略的に示す図である。この図2に示すように、コレクタとなるp+型単結晶シリコン基板1上には、n+型シリコンエピタキシャル層2とn型シリコンエピタキシャル層3とP型ベース拡散層4とが形成されている。上記p+型単結晶シリコン基板1が、本発明の半導体基板を構成している。
【0020】
そして、p+型単結晶シリコン基板1の表面には、トレンチ5が後述する方法により形成されている。このトレンチ5は、下端部がn型シリコンエピタキシャル層3内に突出するように形成されている。また、トレンチ5の底部のコーナー部5aは丸められている。この場合、トレンチ5の図2中上下方向の長さ寸法aは例えば4〜6μm程度に設定され、トレンチ5の図2中左右方向の長さ寸法bは例えば0.8〜1.6μm程度に設定されている。
【0021】
上記トレンチ5には、ゲート酸化膜6を介してゲート電極7が形成されている。上記ゲート酸化膜6は、例えばシリコン酸化膜により形成されており、その膜厚は例えば100nmに設定されている。尚、ゲート酸化膜6の膜厚を、例えば50〜150nm程度の範囲に属する適当な膜厚に設定することが好ましい。また、ゲート酸化膜6を、ONO膜(シリコン酸化膜、窒化膜及びシリコン酸化膜からなる3層の膜)で構成しても良い。このONO膜を使用した場合には、その膜厚を例えば60nm程度に薄く設定することが好ましい。
【0022】
上記ゲート電極7は、例えばn型多結晶シリコンで構成されている。このゲート電極7の下端部のコーナー部7aは、丸められている。更に、上記P型ベース拡散層4におけるトレンチ5の上端部に対応する部分には、n型エミッタ拡散層8が形成されている。そして、ゲート電極7の上には、層間絶縁物9を介してエミッタ電極10が形成されている。更にまた、上記した構成のIGBT素子のp+型単結晶シリコン基板1の裏面(図2中下面)には、裏面電極としてコレクタ電極11が形成されている。
【0023】
次に、上記した構成のトレンチゲート型IGBT素子を製造する製造方法について、図1及び図3を参照して説明する。ここで、本実施例のトレンチゲート型IGBT素子の製造方法のうちのトレンチを形成する部分に相当する製造方法以外は、周知のトレンチゲート型IGBT素子の製造方法とほぼ同じであるから、説明を省略し、ここでは、トレンチを形成する部分に相当する製造方法だけを説明する。
【0024】
この場合、まず、図1(a)に示すように、前記シリコン基板1の上にトレンチマスク12を形成する。このトレンチマスク12には、トレンチ形成用の開口部12aが形成されている。尚、上記シリコン基板1の上には、周知の製造方法によって、前記したシリコン層2、3、4等が予め形成されている。
【0025】
続いて、図1(b)に示すように、シリコン基板1上に異方性エッチングを行うことにより、トレンチ5を形成する。この工程が、本発明の第1の工程である。上記異方性エッチングを、トレンチエッチングと呼んでも良い。また、この異方性エッチングは、ドライエッチングであり、例えば、図3に示すようなRIE(Reactive Ion Etching )装置13を使用して実行されるように構成されている。
【0026】
上記RIE装置13は、周知構成の装置であり、エッチング槽14と、このエッチング槽14内に設けられた対向する上部電極15及び下部電極16と、これら電極15、16間に高周波電力を印加する高周波電源17と、エッチング槽14の外部の両端部に設けられたマグネットコイル18、19とを備えて構成されている。この構成の場合、下部電極16上にシリコン基板1(ウエハ)を載置すると共に、エッチング槽14内に所定のガスを封入し、更に、エッチング槽14に対して所定の磁場をかけた状態で、電極15、16間に高周波電力を印加して異方性エッチング(即ち、反応性イオンエッチング)を実行するように構成されている。
【0027】
ここで、本実施例の第1の工程(STEP1)において実行した異方性エッチングの条件を下記の表1に示す。
【0028】
【表1】
この表1には、本実施例で実際に実行した異方性エッチングの2つの実施例1、2の各エッチング条件を示している。これら2つの実施例1、2のいずれによっても、良好なトレンチ5を形成することができた。尚、実施例2の方が、実施例1よりも、トレンチ5の側壁の垂直度を高くすることができた。
【0029】
次に、上記STEP1を実行した後、図1(c)に示すように、順テーパエッチングを行うことによりトレンチ5の底部のコーナー部5aを順テーパ形状(面取り形状)に加工した。この工程が、本発明の第2の工程(STEP2)である。上記順テーパエッチングは、本実施例の場合、例えばドライエッチングで構成されており、上記したRIE装置13を使用して実行した。ここで、本実施例の第2の工程(STEP2)において実行した順テーパエッチングの条件を下記の表2に示す。
【0030】
【表2】
この表2には、本実施例で実際に実行した順テーパエッチングの2つの実施例3、4の各エッチング条件を示している。これら2つの実施例3、4のいずれによっても、トレンチ5の底部のコーナー部5aに良好な順テーパ形状を形成することができた。この場合、実施例3の順テーパエッチングは、エッチング槽14内の酸素濃度を上げることにより、トレンチ5の側壁に保護膜(シリコン酸化膜)を堆積しながらエッチングするドライエッチングである。そして、実施例4の順テーパエッチングは、エッチング槽14内の圧力を上げると共に、電極15、16間に印加する高周波出力(パワー)を下げることにより、イオンの入射方向の垂直成分を低下させたドライエッチングである。
【0031】
また、本実施例において、STEP1からSTEP2へ移行する場合には、一度パワーを止め、エッチング槽14内のガスを排気口14aを通して排気してから、STEP2用のガスをエッチング槽14内へ給気口14bを通して注入することにより、ガスを入れ替えてから、エッチングを実行するように構成されている。尚、STEP1とSTEP2を、それぞれ別のRIE装置13により実行するように構成しても良い。
【0032】
更に、本実施例の場合、STEP1で実施例1を選択した場合、STEP2の2つの実施例3、4のいずれを実行しても良い。同様にして、STEP1で実施例2を選択した場合も、STEP2の2つの実施例3、4のいずれを実行しても良い。いずれの組み合わせの場合も、トレンチ5の底部のコーナー部5aに良好な順テーパ形状を形成することができる。
【0033】
尚、本実施例では、順テーパエッチングとして、実施例3、4のようなドライエッチングを用いたが、これに限られるものではなく、STEP1の異方性エッチング(ドライエッチング)を実行した後、エッチング槽14内のガスの成分及び圧力等を変えることなく、パワー(高周波出力)だけを低下させてエッチングするドライエッチングを用いるように構成しても良い。このドライエッチングによっても、トレンチ5の底部のコーナー部5aに順テーパ形状を形成することができる。また、順テーパエッチングとして、上記した各ドライエッチングに代えて、ウエハの面方位を制御しながらエッチングするウェットエッチングを用いるように構成しても良い。
【0034】
そして、上記STEP2を実行した後、図1(d)に示すように、等方性エッチングを行うことにより、トレンチ5の底部のコーナー部5aを丸める。この第3の工程(STEP3)が、本発明の第3の工程である。上記等方性エッチングとしては、例えば周知のダウンストリーム型の等方性エッチング装置を使用し、エッチングガスとして例えばCF4,O2を用いてエッチングを実行することが好ましい。また、上記ダウンストリーム型等方性エッチング装置の代わりに、例えばケミカルドライエッチング(CDE(Chemical Dry Etching))装置を使用しても良いし、他の等方性エッチングを実現する装置や方法を使用しても良い。
【0035】
さて、このような製造方法を用いた本実施例によれば、STEP3の等方性エッチングのエッチング量が少なくても、トレンチ5の底部のコーナー部5aの曲率半径を大きくすることができる。以下、この本実施例の効果について、図4を参照して、本実施例と従来構成とを比較しながら説明する。
【0036】
図4に示すように、本実施例では、異方性エッチングと順テーパエッチングと等方性エッチングとを実行するのに対して、従来構成では、異方性エッチングと等方性エッチングだけを実行する。この相違により、図4に示すように、最後の工程の等方性エッチングのエッチング量を、本実施例と従来構成とで同じエッチング量e1に設定しても、本実施例のトレンチ5の底部のコーナー部5aの曲率半径r1を、従来構成の曲率半径r2よりも大きくすることができる。これは、本実施例の場合、異方性エッチングを行うことによりトレンチ5を形成した後、順テーパエッチングを行うことによりトレンチ5の底部のコーナー部5aを順テーパ形状(面取り形状)に加工したためである。
【0037】
換言すると、本実施例によれば、順テーパエッチングによる深さ及び側壁角度と、等方性エッチングのエッチング量とによって、トレンチ5の底部のコーナー部5aの曲率半径r1を自由且つ容易に制御することが可能となる。従って、等方性エッチングのエッチング量e1を少なく設定しても、トレンチ5の底部のコーナー部5aを十分に丸めることができ、そして、過剰なシリコン削れの発生を防止することができるのである。
【0038】
ここで、図5に、トレンチ5の底部のコーナー部5aの曲率半径rと、電界集中の程度を表す電界強度比Er/Epとの関係を示す。電界強度比Er/Epのうちの、Erはトレンチ5の底部のコーナー部の電界強度であり、Epはトレンチ5の側壁部の平坦部の電界強度である。従って、電界強度比Er/Epが1に近付くほど、即ち、小さくなるほど、電界集中が発生していないことを示している。上記図5から、コーナー部5aの曲率半径rが小さいほど、電界集中が強まることがわかると共に、上記曲率半径rが0.3〜0.5μm程度であれば、電界集中が発生しない良好なレベルであることがわかる。尚、図5のグラフは、ゲート酸化膜6の膜厚Toxが0.1μm(100nm)である場合のデータである。
【0039】
また、図6は、トレンチ5の底部のコーナー部5aの曲率半径rと、等方性エッチングのエッチング量との関係を示す図である。この図6において、曲線P1は本実施例を示し、曲線P2は従来構成を示している。上記図6から、等方性エッチングのエッチング量を、本実施例と従来構成とで同じに設定した場合、本実施例のトレンチ5の底部のコーナー部5aの曲率半径rの方が、従来構成の曲率半径rよりもかなり大きくなることが明確に分かる。
【0040】
そして、等方性エッチングのエッチング量としては、0.10〜0.20μm程度が好ましい実用範囲であり、この範囲であっても、本実施例のトレンチ5の底部のコーナー部5aの曲率半径rは、0.30〜0.40μm程度となり、十分大きい曲率半径となることがわかる。そして、この程度の曲率半径rを有するコーナー部5aであれば、電界集中の発生をほぼ防止することができる。一方、等方性エッチングのエッチング量を0.20μmよりも大きくすると、過剰なシリコン削れが発生し、IGBT素子の特性が悪化するおそれがある。
【0041】
尚、上記実施例では、本発明を、nチャネルタイプのトレンチゲート型IGBT素子に適用したが、これに限られるものではなく、pチャネルタイプのトレンチゲート型IGBT素子に適用しても良いし、また、トレンチゲート構造を有する他の半導体素子(例えばMOSFET等)に適用しても良い。更に、本発明を、素子分離用のトレンチ(STI(Shallow Trench Isoration))を備えた半導体素子に適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示すものであり、製造工程を示す図
【図2】トレンチゲート型IGBT素子の断面図
【図3】RIE装置の断面図
【図4】本実施例と従来構成とを比較しながら、製造工程を示す図
【図5】トレンチの底部のコーナー部の曲率半径rと電界強度比Er/Epとの関係を示す特性図
【図6】トレンチの底部のコーナー部の曲率半径rと等方性エッチングのエッチング量との関係を示す特性図
【符号の説明】
1はp+型単結晶シリコン基板(半導体基板)、2はn+型シリコンエピタキシャル層、3はn型シリコンエピタキシャル層、4はP型ベース拡散層、5はトレンチ、5aはコーナー部、6はゲート酸化膜、7はゲート電極、10はエミッタ電極、11はコレクタ電極、13はRIE装置を示す。
Claims (7)
- 異方性エッチングを行うことにより半導体基板上にトレンチを形成する第1の工程と、
この第1の工程の後、順テーパエッチングを行うことにより前記トレンチの底部のコーナー部を順テーパ形状に加工する第2の工程と、
この第2の工程の後、等方性エッチングを行うことにより前記トレンチの底部のコーナー部を丸める第3の工程とを備え、
前記順テーパエッチングは、前記トレンチの側壁に保護膜を堆積させながらエッチングするドライエッチングであると共に、イオンの入射方向の垂直成分を低下させたドライエッチングであり、更に、エッチング槽内の圧力を高くしたドライエッチングであることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記順テーパエッチングは、出力を低下させたドライエッチングであることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
- 異方性エッチングを行うことにより半導体基板上にトレンチを形成する第1の工程と、
この第1の工程の後、順テーパエッチングを行うことにより前記トレンチの底部のコーナー部を順テーパ形状に加工する第2の工程と、
この第2の工程の後、等方性エッチングを行うことにより前記トレンチの底部のコーナー部を丸める第3の工程とを備え、
前記順テーパエッチングは、ウエハの面方位を制御しながらエッチングするウェットエッチングであることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体基板上に形成されたトレンチにゲート電極を形成するように構成された絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの製造方法において、
異方性エッチングを行うことにより半導体基板上にゲート電極形成用の前記トレンチを形成する第1の工程と、
この第1の工程の後、順テーパエッチングを行うことにより前記トレンチの底部のコーナー部を順テーパ形状に加工する第2の工程と、
この第2の工程の後、等方性エッチングを行うことにより前記トレンチの底部のコーナー部を丸める第3の工程とを備え、
前記順テーパエッチングは、前記トレンチの側壁に保護膜を堆積させながらエッチングするドライエッチングであると共に、イオンの入射方向の垂直成分を低下させたドライエッチングであり、更に、エッチング槽内の圧力を高くしたドライエッチングであることを特徴とする絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの製造方法。 - 半導体基板上に異方性エッチング、順テーパエッチング及び等方性エッチングを順に行うことにより形成され、底部のコーナー部が丸められたトレンチと、
このトレンチに形成され、下端部が丸められたゲート電極とを備えてなる絶縁ゲート型バイポーラトランジスタあって、
前記順テーパエッチングは、前記トレンチの側壁に保護膜を堆積させながらエッチングするドライエッチングであると共に、イオンの入射方向の垂直成分を低下させたドライエッチングであり、更に、エッチング槽内の圧力を高くしたドライエッチングであることを特徴とする絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。 - 前記トレンチの底部のコーナー部の丸められた部分の曲率半径を、0.3〜0.5μmに設定したこと特徴とする請求項5記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。
- 前記トレンチの内面に形成するゲート酸化膜の厚み寸法を、50〜150μmに設定したこと特徴とする請求項5または6記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ。
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