JP4304034B2 - 超接合半導体素子の製造方法 - Google Patents

超接合半導体素子の製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP4304034B2
JP4304034B2 JP2003338850A JP2003338850A JP4304034B2 JP 4304034 B2 JP4304034 B2 JP 4304034B2 JP 2003338850 A JP2003338850 A JP 2003338850A JP 2003338850 A JP2003338850 A JP 2003338850A JP 4304034 B2 JP4304034 B2 JP 4304034B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
trench
manufacturing
conductivity type
type semiconductor
semiconductor element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP2003338850A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2004158835A (ja
Inventor
大輔 岸本
勝典 上野
了典 清水
哲史 岡
頌 西永
重弥 成塚
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Shin Etsu Handotai Co Ltd
Original Assignee
Shin Etsu Handotai Co Ltd
Fuji Electric Holdings Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shin Etsu Handotai Co Ltd, Fuji Electric Holdings Ltd filed Critical Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority to JP2003338850A priority Critical patent/JP4304034B2/ja
Publication of JP2004158835A publication Critical patent/JP2004158835A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP4304034B2 publication Critical patent/JP4304034B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/0603Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions
    • H01L29/0607Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration
    • H01L29/0611Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration for increasing or controlling the breakdown voltage of reverse biased devices
    • H01L29/0615Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by particular constructional design considerations, e.g. for preventing surface leakage, for controlling electric field concentration or for internal isolations regions for preventing surface leakage or controlling electric field concentration for increasing or controlling the breakdown voltage of reverse biased devices by the doping profile or the shape or the arrangement of the PN junction, or with supplementary regions, e.g. junction termination extension [JTE]
    • H01L29/063Reduced surface field [RESURF] pn-junction structures
    • H01L29/0634Multiple reduced surface field (multi-RESURF) structures, e.g. double RESURF, charge compensation, cool, superjunction (SJ), 3D-RESURF, composite buffer (CB) structures

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)

Description

本発明は、超接合半導体素子の製造方法に関し、より詳細には、MOSFET(絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)やIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)、バイポーラトランジスタ、ダイオード等に適用可能な高耐圧化と大電流容量化を両立させることのできる超接合半導体素子の製造方法に関する。
従来の高耐圧半導体素子は、高い降伏電圧を得るために主電流経路に高比抵抗のドリフト領域を設けており、高耐圧のものほどこの部分の電圧降下が大きくなるので、オン電圧が高くなるという問題があった。この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型半導体領域とp型半導体領域とを交互に積層した並列pn層(これを、超接合構造とよぶ)で構成し、オフ状態の時は空乏化して耐圧を負担するようにした構造の半導体装置が公知である(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。)。
上述した超接合構造を低コストで量産するため、n型(またはp型)の半導体基板に複数のトレンチを形成し、そのトレンチ内にp型(またはn型)の半導体をエピタキシャル成長させる方法が開発されている。また、超接合構造に限らず、トレンチ内に半導体をエピタキシャル成長させる技術(たとえば、特許文献5、特許文献6参照。)や、CVD法によりトレンチ内を埋め込む技術(たとえば、特許文献7参照。)が公知である。
欧州特許出願第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2000−260982号公報 特開2000−340578号公報 特開平11−307767号公報
しかしながら、従来のトレンチ内に半導体をエピタキシャル成長させる技術では、トレンチ内部にボイド(気泡)が残ったままトレンチ開口部が閉じてしまうという問題点がある。これは、図19に示すように、材料ガスの流れ13は、拡散過程にしたがってトレンチ11内を開口部から底部に向かうが、その過程で材料原子を失っていくことが原因である。つまり、トレンチ開口部からトレンチ底部に向かって成長ガスの濃度が低くなり、それによって、トレンチ開口部においてトレンチ底部よりも厚くエピタキシャル成長層12が成長するからである。
そこで、図20に示すように、トレンチ14を、その縦断面形状がV字状になるように形成し、その中に半導体をエピタキシャル成長させることによって、トレンチ開口部がふさがる前にトレンチ内を半導体で埋め込む方法がある。この方法において、トレンチ14のアスペクト比を10以上にするためには、トレンチ側壁15のテーパー角を85°以上90°未満に設定する必要があるが、テーパー角を85°にしても、トレンチ開口部がふさがる問題を十分に解決することはできない。
ここで、図20に示すように、トレンチのアスペクト比とは、トレンチ14の深さおよび基板表面におけるトレンチ14の開口幅をそれぞれdおよびwとすると、[d/w]で表される。また、トレンチ側壁のテーパー角とは、基板表面16に平行な仮想面、たとえばトレンチ底部を通る基板表面16に平行な仮想面17に対するトレンチ側壁15の角度αのことである。
また、トレンチ側壁のテーパー角が85°であるトレンチに対してエピタキシャル成長をおこなうと、図21に示すように、エピタキシャル成長の最終段階で、エピタキシャル成長層12内にナノスケールのボイド18や、転位(結晶格子ずれ)19が生じるという問題点がある。これは、相対峙するトレンチ側壁15からトレンチ14の中央に向かって成長したエピタキシャル成長層12の成長面が両側から平行に合体するため生じると考えられる。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、トレンチ底部における半導体のエピタキシャル成長を促進するとともに、トレンチ開口部での成長を抑制することによって、ボイドや結晶格子ずれを発生させることなく、トレンチ内を半導体で埋め込むことができ、それによって、超接合半導体素子を簡易に量産性よく製造することができる超接合半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、第1導電型の半導体基板に設けられた、深さがdで基板表面における開口幅がwのトレンチ内に、第2導電型の半導体が埋め込まれた構造を有する超接合半導体素子を製造するにあたって、第1導電型の半導体基板に、側壁が基板表面に対して垂直か、または略垂直のトレンチ上半部を形成する工程と、前記トレンチ上半部につづいてその下に、側壁が前記トレンチ上半部の側壁よりも緩く傾斜し、かつ前記トレンチ上半部との境界からの深さがhのトレンチ下半部を形成する工程と、前記半導体基板を、前記トレンチの開口部からトレンチ底部へ向かって基板内の温度が低くなるように保持した状態で、前記トレンチ上半部および前記トレンチ下半部よりなるトレンチ内に、1000℃以上の塩素を含む原料ガスによる気相成長によって、第2導電型の半導体をエピタキシャル成長させる工程と、を含むことを特徴とする。この発明によれば、トレンチ下半部の縦断面形状がV字状もしくは略V字状となるため、エピタキシャル成長時に、トレンチ下半部での原子層ステップの供給が盛んになり、トレンチ底部の成長速度が、トレンチ開口部の成長速度よりも相対的に速くなる。また、この発明によれば、エピタキシャル成長時に、トレンチ底部が低温であることにより、トレンチ底部の成長速度がトレンチ開口部の成長速度よりもより一層相対的に速くなる。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、[h<d/2]を満たすことを特徴とする。ここで、トレンチ下半部の深さhが、トレンチ全体の深さdの1/2よりも小さいのは、トレンチ上半部では、第1導電型の半導体基板の総電荷量と第2導電型の半導体の総電荷量とのバランスが保たれるが、トレンチ下半部では、第2導電型の半導体の総電荷量が第1導電型の半導体基板の総電荷量を上回り、バランスが崩れるからである。バランスが崩れる領域では耐圧が墜ちる傾向がある、そのため、トレンチの全深さdのうち、バランスが崩れる領域hが占める深さは半分以下であることが望ましい。この発明によれば、上記のことから、超接合構造の特徴である高耐圧を保持し、かつエピタキシャル成長が容易な形状を実現することができる。
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の発明において、前記トレンチ下半部の側壁は、トレンチ底部を通る基板表面に平行な仮想面に対して85°以下の角度で傾いており、前記トレンチ下半部はV字状の縦断面形状をなしていることを特徴とする。この発明によれば、エピタキシャル成長時に、トレンチ下半部での原子層ステップの供給が盛んになり、トレンチ底部の成長速度が、トレンチ開口部の成長速度よりも相対的に速くなる。ここで、トレンチ下半部の側壁のテーパー角を85°以下にすることによって、材料ガスが先端部に達するまでに側壁に吸着されたり、側壁の成長速度が上がってもボイドや転位を残しやすくなってしまうことを防止することができる。
請求項4に記載の発明は、請求項1〜3のいずれか一つに記載の発明において、[10≦d/w]を満たすことを特徴とする。この発明によれば、アスペクト比が10以上の深いトレンチにおいても、エピタキシャル成長時に、トレンチ下半部での原子層ステップの供給が盛んになり、トレンチ底部の成長速度が、トレンチ開口部の成長速度よりも相対的に速くなる。
請求項5に記載の発明は、請求項1〜4のいずれか一つに記載の発明において、前記トレンチ下半部の側壁、または前記トレンチ下半部と上半部の側壁が、ファセットを形成する低指数面であることを特徴とする。仮に、これらの側壁がファセットを形成する低指数面でない場合、側壁のいたるところで核形成が起こりやすく、特に材料ガス濃度が高い開口部に近いほど核形成が盛んとなり、エピタキシャル成長速度が速くなって開口部をふさぎやすくなる。この発明によれば、側壁がファセットであり安定な結晶面であるため、核形成が起こりにくく、材料ガス濃度が高い開口部付近でもエピタキシャル成長速度は0または非常に遅くなる。しかし、トレンチ底部では原子層ステップの供給が続くためエピタキシャル成長が速いので、開口部がふさがることなくエピタキシャル層でトレンチを埋め込むことができる。
請求項に記載の発明は、請求項1〜のいずれか一つに記載の発明において、減圧CVD法により、前記トレンチ内に第2導電型の半導体をエピタキシャル成長させることを特徴とする。この発明によれば、減圧CVD法によるエピタキシャル成長時に、トレンチ下半部での原子層ステップの供給が盛んになり、トレンチ底部の成長速度が、トレンチ開口部の成長速度よりも相対的に速くなる。
また、上記目的を達成するため、請求項7に記載の発明は、第1導電型の半導体基板に設けられたトレンチ内に、第2導電型の半導体が埋め込まれた構造を有する超接合半導体素子を製造するにあたって、第1導電型の半導体基板にトレンチを形成する工程と、前記半導体基板を、前記トレンチの開口部からトレンチ底部へ向かって基板内の温度が低くなるように保持した状態で、前記トレンチ内に1000℃以上の塩素を含む原料ガスによる気相成長によって第2導電型の半導体をエピタキシャル成長させる工程と、を含むことを特徴とする。この発明によれば、エピタキシャル成長時に、トレンチ底部が低温であるため、トレンチ底部の成長速度がトレンチ開口部の成長速度よりも相対的に速くなる。
請求項に記載の発明は、請求項に記載の発明において、減圧CVD法により、前記トレンチ内に第2導電型の半導体をエピタキシャル成長させることを特徴とする。この発明によれば、減圧CVD法によるエピタキシャル成長時に、トレンチ底部が低温であるため、トレンチ底部の成長速度が、トレンチ開口部の成長速度よりも相対的に速くなる。
本発明によれば、エピタキシャル成長時に、トレンチ下半部での原子層ステップの供給が盛んになり、トレンチ底部の成長速度が、トレンチ開口部の成長速度よりも相対的に速くなるため、ボイドや結晶格子ずれを発生させることなく、トレンチ内を半導体で埋め込むことができる。したがって、超接合半導体素子を簡易に量産性よく製造することができる。
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、本発明は、耐圧領域を構成する超接合構造の製造方法にかかわるものであるため、ソースやドレインの構造およびそれらの製造プロセス等については任意であり、以下の説明および添付図面では省略する。したがって、本発明は、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に適用される。また、以下の説明では、第1導電型をn型とし、第2導電型をp型とするが、その逆の場合も同様である。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1にかかる製造方法により製造された超接合構造の構成を示す縦断面図である。図1に示すように、n型半導体基板2に深さdのトレンチ3が複数形成されており、それらトレンチ3内は、エピタキシャル成長されたp型半導体4により埋められている。トレンチ3は、基板表面21からの深さが[d−h]のトレンチ上半部31と、このトレンチ上半部31の下につづく、トレンチ上半部31との境界からの深さがhのトレンチ下半部36とから構成されている。
トレンチ上半部31の側壁32は、基板表面21に対してたとえば垂直になっている。すなわち、トレンチ上半部31の側壁32のテーパー角はたとえば90°である。また、トレンチ下半部36の側壁37のテーパー角はたとえば85°以下である。トレンチ下半部36は、その縦断面形状がたとえばV字状をなすように形成されている。
ここで、特に限定しないが、たとえばトレンチ下半部36の深さhは、トレンチ全体の深さdの1/2よりも小さいとよい。すなわち、[h<d/2]を満たすとよい。また、基板表面21におけるトレンチ3の開口幅をwとすると、超接合構造におけるトレンチ3の一般的なアスペクト比d/wは10以上である。トレンチ下半部36の側壁37はファセットを形成する低指数面であることが望ましい。具体的には、半導体材料としてシリコンを用いた場合、ファセットを形成しやすいのは(1,1,1)面、(1,0,0)面、(3,1,1)面、(4,1,1)面などであるが、これら以外にも、エピタキシャル成長時の基板温度、真空度または材料原子の供給圧力などの条件に依存して、ファセットを形成しやすい面方位が存在する。
つぎに、本発明の実施の形態1にかかる製造方法について図2〜図12を参照しつつ説明する。まず、低抵抗のn型半導体基板2を用意し、その表面21を、エピタキシャル成長のマスクとなる酸化膜または窒化膜などの絶縁性マスク5で被覆する(図2)。ついで、図示しないマスクを用いて、絶縁性マスク5に、特に限定しないが、たとえばストライプ状の窓あけをおこなう(図3)。
窓あけ部の幅、すなわちトレンチ開口幅w、および隣り合う窓あけ部と窓あけ部との間隔sは、それぞれ1〜20μm程度とする。ここで、wとsは同じでもよいし、同じでなくてもよいが、図1に示す超接合構造の最終的な仕上がり構造において、n型半導体基板2とp型半導体4とが柱状に交互に並ぶ領域において、電荷のチャージバランスがとれていることが重要である。
ついで、半導体基板2の、絶縁性マスク5に被覆されていない領域を、異方性エッチングにより基板表面21から深さ[d−h]までエッチングし、トレンチ上半部31を形成する(図4)。その際、エッチング方法として、たとえばプラズマエッチャーやRIE(反応性イオンエッチング)を利用する。また、エッチング条件は、トレンチ上半部31の側壁32のテーパー角が90°になる条件とする。
つづいて、基板表面21からの深さが[d−h]〜dとなる部分、すなわちトレンチ上半部31の下の深さhの部分については、トレンチ下半部36の側壁37が寝て、テーパー角が90°未満、好ましくは85°以下となる条件で異方性エッチングをおこない、トレンチ下半部36を形成する(図5)。このとき、トレンチ下半部36は、その縦断面形状がたとえばV字状となり、相対峙する側壁37の間に、基板表面に平行な平面がないのが望ましい。ここで、トレンチ下半部36のV字のなす角θは、10°の範囲の角度であるのが好ましい。
なぜなら、V字形状の先端部が鋭い鋭角であると、材料ガスが細かい領域を通るため先端部まで十分供給されず、先端部に達するまでに側壁に吸着され、側壁の成長速度が上がってもボイドや転位を残しやすくなってしまう。したがって、トレンチ下半部36の側壁37のテーパー角は85°以下である必要がある。なお、側壁37の上部に側壁32が存在する場合であっても、側壁37の領域のみを取り出すと上記と同じような問題が生じる。すなわち、上記の問題は、側壁32の存在の有無に関わらずに発生する。したがって、側壁37が低指数面でファセットを形成しやすいとしても、側壁37のテーパー角が垂直に近い場合はあまり好ましくない。
ついで、トレンチ3の内部にp型半導体4をエピタキシャル成長させる(図6)。このように絶縁性マスク5を除去しないままエピタキシャル成長をおこなう場合には、絶縁性マスク5の表面に多結晶が付着するのを防ぐため、チャンバー内に、エッチング効果を有するガスを同時に流す。たとえば、半導体材料としてシリコンを用いて、減圧CVD法によりエピタキシャル成長をおこなう場合には、成長ガスに塩素(Cl)等のハロゲンを混ぜる。具体的には、成長ガスとしてジクロロシラン(SiHCl)やトリクロロシラン(SiHCl)を用いればよい。あるいは、成長ガスとしてシラン(SiH)やジシラン(SiH)を用い、これと一緒にチャンバー内にHClやClなどのエッチングガスを供給する。
ここで、エピタキシャル成長中のトレンチ底部のV字構造部分(図6において丸印で囲む部分)を拡大し、ミクロに原子層レベルで見ると、図9に示すように、V字の頂点に無数の原子層ステップ41が存在する。この原子層ステップ41は、結晶格子1ないし数個分の高さを持つナノスケールの構造である。側壁37が安定なファセットを形成していれば、側壁37には原子層ステップ41はほとんど存在せず、V字の頂点に原子層ステップ41が高密度で存在している。
原子層ステップ41では、材料原子が結晶中に盛んに取り込まれるので、結晶成長が速い。図10に示すように、結晶成長が進行するにしたがって、新たに結晶に固着された領域42が広がっていき、原子層ステップ41が前進する。そして、一つの原子層ステップ41が前進しても、V字の頂点から新たに次の原子層ステップ41が供給される。そのため、トレンチ底部では、結晶中への材料原子の取り込みが盛んな状態に保たれるので、成長速度が落ちることはない(凹入角効果)。
図11は、側壁が点線で示す安定なファセット面よりも広角だった場合の断面を、図12は、側壁37が同じくファセット面よりも狭角だった場合の断面を、それぞれミクロスケールで模式的に示したものである。この場合、各ステップで材料原子の取り込みが盛んにおこなわれるため、側壁37のあらゆる位置で同時にエピタキシャル成長が起こってしまう。また、材料ガスの濃度が高い場所ほど取り込みが盛んとなり、エピタキシャル成長速度が速くなるので、トレンチの埋め込みには不利となる。
しかし、図11、図12に示すような形状においても、既存の原子層ステップが原子を取り込んで前進することによって、点線で示すファセットを形成できれば、図9と同じ形状を作ることができ、凹入角効果を利用できるようになる。図11、図12の状態からファセットを形成させるためには、エッチングガスによって異方性エッチングをおこなったり、エピタキシャル成長の初期段階において材料ガスの供給をしぼり、低速でエピタキシャル成長して安定化面を形成しやすくするなどの方法が考えられる。
一方、マクロスケールで平坦な結晶面、すなわちトレンチ上半部31の側壁32では、原子層ステップ41の存在密度が極めて低いため、結晶中への材料原子の取り込みがあまりおこなわれない。また、トレンチ上半部31の側壁32において、表面に傷がつくなどの原因により一つの原子層ステップが発生しても、この原子層ステップが前進した跡には新たな原子層ステップが供給されないので、結晶成長は継続しない。したがって、トレンチ上半部31の側壁32では、トレンチ底部のV字構造部分よりも成長速度が遅くなる。
その結果、図6に示すように、エピタキシャル成長したp型半導体4は、トレンチ3の底部で極端に厚くなり、トレンチ開口部では薄くなる。したがって、図7に示すように、トレンチ内部にボイドを残さずに、トレンチ3の内部はp型半導体4により埋められる。エピタキシャル成長が終了した後、絶縁性マスク5を除去し、図1に示す構成の超接合構造が完成する。しかる後、ソースやドレインの形成などをおこなって所望の半導体素子が完成する。
上述した実施の形態1によれば、エピタキシャル成長時に、トレンチ下半部36での原子層ステップ41の供給が盛んになり、トレンチ底部の成長速度が、トレンチ開口部の成長速度よりも相対的に速くなるため、トレンチ底部からトレンチ開口部へ向かって徐々にp型半導体4がエピタキシャル成長するので、ボイドや結晶格子ずれを発生させることなく、トレンチ3の内部をp型半導体4で埋め込むことができる。したがって、超接合半導体素子を簡易に量産性よく製造することができる。
なお、実施の形態1において、トレンチ3の内部にp型半導体4をエピタキシャル成長させる際に、あらかじめ絶縁性マスク5を除去しておいてもよい。その場合には、図8に示すように、n型半導体基板2の表面全体がp型半導体4により被覆されるので、エピタキシャル成長の終了後に、基板表面21上のp型半導体4を研磨して除去し、n型半導体基板2の表面21を露出させればよい。
また、実施の形態1において、図13に示すように、トレンチ下半部36が、相対峙する側壁37の間に、基板表面21に平行な平面38を有する形状に形成されていてもよい。この場合には、p型半導体4のエピタキシャル成長の初期段階において、図6に示すように、トレンチ底部にV字形状が現れるようにすればよい。
また、実施の形態1において、トレンチ上半部31の側壁32が、ファセット(安定化した平坦面)を形成する面方位になっているとよい。具体的には、半導体材料としてシリコンを用いた場合、ファセットを形成しやすいのは(1,1,1)面や(1,0,0)面、(3,1,1)面、(4,1,1)面であるが、これら以外にも、エピタキシャル成長時の基板温度、真空度または材料原子の供給圧力などの条件に依存して、ファセットを形成しやすい面方位が存在する。このようにすれば、p型半導体4のエピタキシャル成長時に、トレンチ開口部がより一層閉じにくくなるという効果が得られる。
ウエハとトレンチの面方位にを含めた具体例を、図14および図15に示す。図14、図15において、それぞれ、エピタキシャル成長層4の形成前に露出している面方位を記載してある。図14では、最初の半導体基板1として(1,1,0)ウエハを用いており、トレンチの側壁32に(0,0,1)面が、側壁37に(1,1,1)面がそれぞれ対応する。いずれもファセットを形成する低指数面である。なお、(0,0,1)面は(1,0,0)面と等価であり、(1,−1,0)面は(1,1,0)面と等価である。
図15では、最初の半導体基板1として(1,0,0)ウエハを用いており、トレンチの側壁32に(0,1,1)面が、側壁37に(1,1,1)面が対応する。(1,1,1)面はファセットを形成する低指数面である。この場合、側壁32に2〜3°程度のテーパー角をあらかじめつけて寝かせておくと、開口部での速いエピタキシャル成長を相殺し、開口部をふさがりにくくすることができる。
また、実施の形態1において、トレンチ上半部31の側壁32は、必ずしもテーパー角90°で垂直に立っている必要はなく、やや寝ていてもよいが、トレンチ3のアスペクト比d/wが10以上であることを考慮すれば、トレンチ上半部31の側壁32のテーパー角は85°以上であるのが望ましい。図16に、トレンチ上半部31の側壁32が寝ているトレンチを、エピタキシャル成長層で埋め込んでいく途中の断面写真の様子を示す。図16では、初期のトレンチ形状が点線で示されている。このように、トレンチ上半部31の側壁32が寝ているトレンチは埋め込みに有利であることがわかる。
また、実施の形態1において、トレンチ上半部31を形成するにあたっては、必ずしもRIEやプラズマエッチャーを用いる必要はない。たとえば、異方性を具えたウェットエッチングをおこなってもよい。具体的には、たとえばシリコンの(1,1,0)ウエハに対して、KOHとイソプロピルアルコールと水との混合液を用いて異方性エッチングをおこなうと、トレンチ側壁32に、ファセットを形成しやすい(1,1,1)面が露出しやすいという効果が得られる。
また、実施の形態1において、上述した形状のトレンチ下半部36を形成するにあたっては、必ずしもRIEやプラズマエッチャーを用いる必要はない。たとえば、トレンチ上半部31を形成した後、エッチング性のガスにより異方性エッチングをおこなうことによっても、縦断面形状がたとえばV字状のトレンチ下半部36を形成することができる。この場合、半導体基板2の材料がシリコンであれば、エッチングガスとしてHClやCl2を用いればよい。
実施の形態2.
本発明の実施の形態2にかかる製造方法は、トレンチ内に半導体をエピタキシャル成長させる際に、トレンチ開口部とトレンチ底部との間に温度差を設けることによって、トレンチ底部の成長速度を、トレンチ開口部の成長速度よりも相対的に速くする方法である。実施の形態2では、上述した実施の形態1のようにトレンチ底部の縦断面形状がV字状もしくは略V字状になっていてもよいし、基板表面に平行な平面形状となっていてもよい。
たとえば、半導体材料がシリコンであり、成長ガスとしてジクロロシランを用いて、減圧CVD法により1000℃以下でエピタキシャル成長をおこなう場合、トレンチ底部の温度がトレンチ開口部の温度よりも1℃高くなるごとにトレンチ底部の反応速度が2%上がっていく。したがって、トレンチ底部の温度をトレンチ開口部の温度よりもたとえば1℃以上高くなるようにしてトレンチ底部の反応速度を上げることにより、トレンチ底部でのエピタキシャル成長を促進することができる。
実施の形態2では、半導体基板を、トレンチの開口部からトレンチ底部へ向かって基板内の温度が低くなるように保持した状態で、トレンチ内に液相成長または略1000℃以上の気相成長によって第2導電型の半導体をエピタキシャル成長させる。これによって、エピタキシャル成長時に、トレンチ下半部での原子層ステップの供給が盛んであるのに加えて、トレンチ底部が低温であることにより、後述する塩素によるエッチング効果によって、トレンチ底部の成長速度がトレンチ開口部の成長速度よりもより一層相対的に速くなる。
また、半導体基板を、トレンチの開口部からトレンチ底部へ向かって基板内の温度が高くなるように保持した状態で、トレンチ内に略1000℃以下の気相成長によって第2導電型の半導体をエピタキシャル成長させるようにしてもよい。これによって、エピタキシャル成長時に、トレンチ下半部での原子層ステップの供給が盛んであるのに加えて、トレンチ底部が高温であることにより、トレンチ底部の成長速度がトレンチ開口部の成長速度よりもより一層相対的に速くなる。
ここで、液相成長は、ウエハ温度が低いほど成長速度が速く、温度が高いと成長速度が遅くなる。したがって液相成長を使ってトレンチを埋め込むことを想定すると、トレンチ底部は温度を低めにし、トレンチ開口部は温度を高めにするとよい。
また、気相成長は、略1000℃以下の低温では、ウエハ温度が高いほど成長速度が速く、温度が低いほど成長速度が遅くなる。そたがって、気相成長で比較的低温の条件を想定すると、トレンチ底部の温度を高めにし、トレンチ開口部の温度を低めにするとよい。一方、略1000℃以上の高温では、塩素によるエッチング効果が優勢になるため、ウエハ温度が高いほど成長速度が遅く、温度が低いほど成長速度が速くなる場合がある。したがって気相成長で比較的高温の条件を想定すると、トレンチ底部の温度を低めにし、トレンチ開口部の温度を高めにするとよい。
また、面方位依存性などを無視して、ポリシリコンなどの等方的材料を想定した付着確率(成長速度)ηは次の式で表される。
η=Aexp(−E/RT)
ここで、Eは活性化エネルギー(モル当たり)、Rはモル気体定数、Tはウエハ温度である。Eはガス種や実験系によって差が生じるが、たとえばシラン(SiH)では[E/R≒2.0e4 K]である。すなわち、η=Aexp(−2.0e4/T)である。
エピタキシャル成長をおこなうT=1200K前後の温度領域では、温度が1℃上がると成長速度が約2%大きくなる。これにより、材料供給量によって生じるトレンチ開口部とトレンチ底部との成長速度差を、温度差で打ち消すことができる。
具体的には、図17に示すように、CVD装置の内部構造を、半導体ウエハ6の表面側を加熱するヒーター71と、半導体ウエハ6の裏面側を加熱するヒーター72とを備えた構造とし、表側のヒーター71の出力と裏側のヒーター72の出力とに差を設ければよい。このようにすれば、ウエハ6の厚み方向に沿って温度勾配を設けることができる。ただし、温度勾配が大きすぎるとスリップ転位が発生するなどの問題が生じるので、温度勾配の大きさは2000℃/cm以下であるのが適当である。
上述した実施の形態2によれば、1000℃以上の気相成長によるエピタキシャル成長時に、トレンチ底部が低温であるため、トレンチ底部の成長速度が、トレンチ開口部の成長速度よりも相対的に速くなるため、トレンチ底部からトレンチ開口部へ向かって徐々に半導体がエピタキシャル成長するので、ボイドや結晶格子ずれを発生させることなく、トレンチの内部を半導体で埋め込むことができる。したがって、超接合半導体素子を簡易に量産性よく製造することができる。
実施の形態3.
本発明の実施の形態3にかかる製造方法は、トレンチ内に半導体をエピタキシャル成長させる際に、トレンチ開口部とトレンチ底部との間に成長ガスの濃度差を設けることによって、トレンチ底部の成長速度を、トレンチ開口部の成長速度よりも相対的に速くする方法である。実施の形態3では、上述した実施の形態1のようにトレンチ底部の縦断面形状がV字状もしくは略V字状になっていてもよいし、基板表面に平行な平面形状となっていてもよい。
従来のように、成長ガスの供給を、トレンチの開口部から底部への拡散過程によりおこなう場合には、トレンチ開口部においてガス濃度が高くなるので、トレンチ開口部付近でのエピタキシャル成長速度が速くなってしまう。これは、ボイドが生じないようにトレンチを埋め込むためには、好ましくない。そこで、トレンチ底部に直接成長ガスを供給することによって、成長ガス濃度がトレンチ底部において高くなり、トレンチ開口部において低くなるようにする。
具体的には、図18に示すように、エピタキシャル成長時に、たとえばカーボンナノチューブなどからなるパイプ8をトレンチ3内に挿入し、このパイプ8を通して成長ガスをトレンチ3に供給する。このようにすれば、図18において符号9で示す矢印のように、成長ガスはトレンチ底部へ向かって流れ、トレンチ底部で折り返されてトレンチ開口部へ向かって流れるので、トレンチ底部において最も成長ガス濃度が高くなり、トレンチ開口部に向かって低くなる。
上述した実施の形態3によれば、エピタキシャル成長時に、トレンチ底部での成長ガス濃度がトレンチ開口部での成長ガス濃度よりも高くなるため、トレンチ底部の成長速度が、トレンチ開口部の成長速度よりも相対的に速くなり、トレンチ底部からトレンチ開口部へ向かって徐々に半導体がエピタキシャル成長するので、ボイドや結晶格子ずれを発生させることなく、トレンチ3の内部を半導体で埋め込むことができる。したがって、超接合半導体素子を簡易に量産性よく製造することができる。
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、トレンチのパターンは、ストライプ状に限らず、格子状や円柱状でもよい。また、実施の形態1〜実施の形態3を適宜組み合わせてもよい。
以上のように、本発明にかかる超接合半導体素子の製造方法は、第1導電型半導体基板に形成されたトレンチ内に、第2導電型半導体をエピタキシャル成長させた超接合構造を製造するために有用であり、特に、トレンチ底部における半導体のエピタキシャル成長を促進するとともに、トレンチ開口部での成長を抑制することによって、ボイドや結晶格子ずれを発生させることなく、トレンチ内を半導体で埋め込むことに適している。
本発明の実施の形態1にかかる製造方法により製造された超接合構造の構成を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1にかかる製造方法により製造される超接合構造の製造途中の構成を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1にかかる製造方法により製造される超接合構造の製造途中の構成を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1にかかる製造方法により製造される超接合構造の製造途中の構成を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1にかかる製造方法により製造される超接合構造の製造途中の構成を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1にかかる製造方法により製造される超接合構造の製造途中の構成を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1にかかる製造方法により製造される超接合構造の製造途中の構成を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1にかかる製造方法により製造される超接合構造の製造途中の構成を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1にかかる製造方法により製造される超接合構造のエピタキシャル成長中のV字構造部分を拡大して示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1にかかる製造方法により製造される超接合構造のエピタキシャル成長中のV字構造部分を拡大して示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1にかかる製造方法により製造される超接合構造のエピタキシャル成長中のV字構造部分を拡大して示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1にかかる製造方法により製造される超接合構造のエピタキシャル成長中のV字構造部分を拡大して示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1にかかる製造方法により製造される超接合構造の製造途中の構成において、トレンチ底部に平面が存在する構成を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態1にかかる製造方法により製造される超接合構造のエピタキシャル成長層の形成前に露出している面方位を示す説明図である。 本発明の実施の形態1にかかる製造方法により製造される超接合構造のエピタキシャル成長層の形成前に露出している面方位を示す説明図である。 トレンチ上半部31の側壁32が寝ているトレンチを、エピタキシャル成長層で埋め込んでいく途中の断面写真の様子を示す説明図である。 本発明の実施の形態2にかかる製造方法を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態3にかかる製造方法を説明するための模式図である。 従来の超接合半導体素子の製造方法によってトレンチ開口部に厚いエピタキシャル成長層が生じた様子を模式的に示す縦断面図である。 従来の超接合半導体素子の製造方法において縦断面形状がV字状のトレンチを形成した半導体基板を模式的に示す縦断面図である。 従来の超接合半導体素子の製造方法において縦断面形状がV字状のトレンチをエピタキシャル成長層で埋めた状態を模式的に示す縦断面図である。
符号の説明
2 第1導電型の半導体基板
3 トレンチ
4 第2導電型の半導体
8 パイプ
21 基板表面
31 トレンチ上半部
32 トレンチ上半部の側壁
36 トレンチ下半部
37 トレンチ下半部の側壁

Claims (8)

  1. 第1導電型の半導体基板に設けられた、深さがdで基板表面における開口幅がwのトレンチ内に、第2導電型の半導体が埋め込まれた構造を有する超接合半導体素子を製造するにあたって、
    第1導電型の半導体基板に、側壁が基板表面に対して垂直か、または略垂直のトレンチ上半部を形成する工程と、
    前記トレンチ上半部につづいてその下に、側壁が前記トレンチ上半部の側壁よりも緩く傾斜し、かつ前記トレンチ上半部との境界からの深さがhのトレンチ下半部を形成する工程と、
    前記半導体基板を、前記トレンチの開口部からトレンチ底部へ向かって基板内の温度が低くなるように保持した状態で、前記トレンチ上半部および前記トレンチ下半部よりなるトレンチ内に、1000℃以上の塩素を含む原料ガスによる気相成長によって、第2導電型の半導体をエピタキシャル成長させる工程と、
    を含むことを特徴とする超接合半導体素子の製造方法。
  2. [h<d/2]を満たすことを特徴とする請求項1に記載の超接合半導体素子の製造方法。
  3. 前記トレンチ下半部の側壁は、トレンチ底部を通る基板表面に平行な仮想面に対して85°以下の角度で傾いており、前記トレンチ下半部はV字状の縦断面形状をなしていることを特徴とする請求項1または2に記載の超接合半導体素子の製造方法。
  4. [10≦d/w]を満たすことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の超接合半導体素子の製造方法。
  5. 前記トレンチ下半部の側壁、または前記トレンチ下半部と上半部の側壁が、ファセットを形成する低指数面であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載の超接合半導体素子の製造方法。
  6. 減圧CVD法により、前記トレンチ内に第2導電型の半導体をエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一つに記載の超接合半導体素子の製造方法。
  7. 第1導電型の半導体基板に設けられたトレンチ内に、第2導電型の半導体が埋め込まれた構造を有する超接合半導体素子を製造するにあたって、
    第1導電型の半導体基板にトレンチを形成する工程と、
    前記半導体基板を、前記トレンチの開口部からトレンチ底部へ向かって基板内の温度が低くなるように保持した状態で、前記トレンチ内に1000℃以上の塩素を含む原料ガスによる気相成長によって第2導電型の半導体をエピタキシャル成長させる工程と、
    を含むことを特徴とする超接合半導体素子の製造方法。
  8. 減圧CVD法により、前記トレンチ内に第2導電型の半導体をエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項7に記載の超接合半導体素子の製造方法。
JP2003338850A 2002-10-18 2003-09-29 超接合半導体素子の製造方法 Expired - Lifetime JP4304034B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003338850A JP4304034B2 (ja) 2002-10-18 2003-09-29 超接合半導体素子の製造方法

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002303863 2002-10-18
JP2003338850A JP4304034B2 (ja) 2002-10-18 2003-09-29 超接合半導体素子の製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2004158835A JP2004158835A (ja) 2004-06-03
JP4304034B2 true JP4304034B2 (ja) 2009-07-29

Family

ID=32827980

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2003338850A Expired - Lifetime JP4304034B2 (ja) 2002-10-18 2003-09-29 超接合半導体素子の製造方法

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4304034B2 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104409334A (zh) * 2014-11-06 2015-03-11 中航(重庆)微电子有限公司 一种超结器件的制备方法

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3915984B2 (ja) * 2003-06-17 2007-05-16 信越半導体株式会社 シリコンエピタキシャルウェーハの製造方法及びシリコンエピタキシャルウェーハ
JP5566987B2 (ja) * 2011-10-28 2014-08-06 株式会社デンソー 半導体基板の製造方法
CN103413763B (zh) * 2013-08-22 2016-09-28 上海华虹宏力半导体制造有限公司 超级结晶体管及其形成方法
CN106328687B (zh) * 2015-07-02 2020-03-06 北大方正集团有限公司 一种用于超结器件的外延片的制作方法和结构
CN105655385B (zh) * 2016-01-15 2018-08-21 上海华虹宏力半导体制造有限公司 沟槽型超级结器件的制造方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104409334A (zh) * 2014-11-06 2015-03-11 中航(重庆)微电子有限公司 一种超结器件的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP2004158835A (ja) 2004-06-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4695824B2 (ja) 半導体ウエハの製造方法
JP5400405B2 (ja) 半導体装置の製造方法
CN100565803C (zh) 用于制造半导体器件的方法以及外延生长装置
JP5741583B2 (ja) 半導体装置およびその製造方法
TWI329925B (en) Semiconductor device and method of fabricating the same
JP5699878B2 (ja) 炭化珪素半導体装置およびその製造方法
CN102254796B (zh) 形成交替排列的p型和n型半导体薄层的方法
CN103765594B (zh) 碳化硅半导体器件
JP5806600B2 (ja) 炭化珪素半導体装置の製造方法
US10950487B2 (en) Method for forming an alignment mark
KR102123919B1 (ko) 상향식 갭 충전을 위한 선택적 막 성장
JP2016066669A (ja) 炭化珪素半導体装置の製造方法および炭化珪素半導体装置
JP2013110238A5 (ja)
CN102013394A (zh) 一种形成沟槽式mosfet沟槽底部厚氧的方法
CN107887271A (zh) 用于高纵横比的基本垂直的深硅沟槽的硅外延
JP2009141307A (ja) 半導体装置の製造方法
JP3913564B2 (ja) 超接合半導体素子の製造方法
JP4304034B2 (ja) 超接合半導体素子の製造方法
JP2004063894A (ja) 半導体基板の製造方法
EP1638136A1 (en) Silicon epitaxial wafer manufacturing method and silicon epitaxial wafer
WO2024036792A1 (zh) 超结半导体器件及其制备方法
JP4783975B2 (ja) Mis半導体装置およびその製造方法
CN101866833A (zh) 用于填充沟槽的硅外延方法
JP2005142335A (ja) 半導体素子の製造方法
CN111584350B (zh) 一种SiC外延沟槽的填充方法及该方法制备得到的沟槽填充结构

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20060516

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20080917

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20080930

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20081127

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20090127

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20090330

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20090421

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20090427

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120501

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Ref document number: 4304034

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120501

Year of fee payment: 3

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313117

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120501

Year of fee payment: 3

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120501

Year of fee payment: 3

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313115

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120501

Year of fee payment: 3

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130501

Year of fee payment: 4

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140501

Year of fee payment: 5

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313117

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

EXPY Cancellation because of completion of term