JP4489384B2

JP4489384B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP4489384B2
Application number: JP2003205669A
Authority: JP
Inventors: 瑞枝北田; 伸治九里; 徹黒崎; 大島　　宏介; 寛明宍戸; 義彦桜井; 淳一久野
Original assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd; Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd; Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2003-08-04
Filing date: 2003-08-04
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2023-08-04
Also published as: JP2005056886A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は溝内をエピタキシャル成長物で充填する技術にかかり、特に、リング状の溝内を充填する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置を高耐圧化するために、通常、活性領域を取り囲むガードリングが配置される。しかし、ガードリングを拡散によって形成する場合は横方向拡散のため、チップサイズが大きくなる。
【０００３】
そこで近年では、リング状の溝と、該溝内をシリコン単結晶で充填し、ガードリングを構成する技術が研究されている。
【０００４】
図１３(ａ)の符号５０１は、そのようなガードリング５２０を複数本有する従来技術の半導体装置であり、トランジスタセル等の活性領域５１０は、同心状に配置されたガードリング５２０によって取り囲まれている。
【０００５】
このガードリング５２０の製造工程を、図１３(ａ)のＸ−Ｘ線切断面図に沿って簡単に説明すると、先ず、図１４(ａ)に示すように、シリコンインゴットから切断されたウェーハ基板５１１の表面に、エピタキシャル成長によってシリコン単結晶の成長層５１３を形成し、プロセス処理の対象となるシリコン基板５１４を得て、成長層５１３の表面に溝５２２を形成する。
【０００６】
溝５２２内の底面や側面の成長速度を一致させるため、溝５２２の内部の側面及び底面には、(１００)面が露出するようにされている。
【０００７】
ここで本発明では、(１００)面には、(１００)面と等価な面、
【０００８】
【数１】

【０００９】
の全てを含むものとする。
同様に、後述する(１１０)面についても、(１１０)面の表記は、その面と等価な面の全てを含むものとする。また、＜１１０＞方向には、＜１１０＞方向と等価な方向を全て含むものとする。
【００１０】
成長層５１３の表面に溝５２２を形成した後、図１４(ｂ)に示すように、エピタキシャル成長法によって溝５２２内にシリコン単結晶５２３を成長させ、溝５２２内をシリコン単結晶５２３で充填すると、ガードリング５２０が得られる。
【００１１】
溝５２２内のシリコン単結晶５２３は、成長層５１３の導電型とは反対の導電型であり、ガードリング５２０と成長層５１３の間にはｐｎ接合が形成されている。
【００１２】
ここで、溝５２２の四辺は直線であるが、四隅部分で直角に交差し、長方形又は正方形にされた場合、ガードリング５２０の四隅部分が直角になり、その部分のｐｎ接合が球状接合又は円筒接合になってしまう。従って、ガードリング５２０の四隅部分の電界強度が大きくなり、耐圧が低下してしまう。
【００１３】
そこで従来技術でも、電界強度を緩和するため、溝５２２の四隅部分には丸みを付し、ガードリング５２０を、四隅を丸めた四角リング形状にしている。
【００１４】
しかしながら、溝５２２の内部の四辺位置の側面や底面が(１００)面であると、四隅部分の側面は(１００)面にはならず、特に、四角形の頂点に対応する位置では、(１１０)面が露出する。
【００１５】
図１３(ｂ)は、ガードリング５２０の丸みが付された角部分の拡大図であり、表面や、直線部分の側面Ｓ₁、Ｓ₂が(１００)面であり、側面Ｓ₁、Ｓ₂に対して４５°傾いた面Ｓ₃の面方位は(１１０)面となる。
【００１６】
(１１０)面は(１００)面よりもシリコン単結晶の成長速度が遅いため、四隅部分がシリコン単結晶で充填されず、窪みや空孔が生じてしまう。そのような窪みや空孔は、耐圧低下や不良品発生の原因となってしまう。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、四隅に丸みが付されリング状の溝の内部をシリコン単結晶で充填する技術に関する。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、切断面の面方位が(１００)面に対して平行にも垂直にもならないように、且つ前記切断面の面方位が(１１０)方向とは異なる方向に向けられるように、シリコンインゴットが切断され、前記切断面の表面に第一のシリコン単結晶がエピタキシャル成長されて形成されたシリコン基板と、前記シリコン基板の前記第一のシリコン単結晶の表面に形成された複数の溝とを有し、前記溝内には、エピタキシャル成長法によって成長された第二のシリコン単結晶が充填された半導体装置であって、前記溝のうちの一乃至複数個は、四隅部分に丸みが付された四角リング形状に形成され、前記四角リング形状の前記溝内に充填された前記第二のシリコン単結晶によってガードリングが形成され、前記リング状の溝の四隅部分を除く側面は、互いに直交又は平行に位置する側面によって形成されており、前記リング状の溝は、該溝の前記四隅部分を除く前記側面と底面が、前記シリコン基板の(１００)面から傾けられ、前記四隅部分に(１１０)面が露出しないようにされて前記溝内が前記第二のシリコン単結晶で充填された半導体装置である。
【００１９】
本発明では、前記リング状の溝は、該溝の側面と底面に前記シリコン基板の(１００)面が露出する状態を０ｄｅｇとした場合に、１個以上の(１００)面に対して４ｄｅｇ以上４１ｄｅｇ以下の範囲で傾けられていてもよい。
【００２０】
請求項２記載の発明は、前記四角リング形状の溝で囲まれた領域に、トランジスタが形成された請求項１記載の半導体装置である。
請求項３記載の発明は、前記四角リング形状の溝で囲まれた領域に、ダイオードが形成された請求項１記載の半導体装置である。
【００２１】
本発明は、(１００)面に対して４ｄｅｇ以上４１ｄｅｇ以下の範囲で傾けることができる。(１００)面が４５ｄｅｇ傾けられると(１１１)面になってしまうため、(１００)面に対し、４ｄｅｇ以上４１ｄｅｇ以下の範囲で傾いた面は、（１００)面に対し４ｄｅｇ以上傾き、（１１１)面に対しても４ｄｅｇ以上傾いている。即ち、（１００）面と（１１１)面の中間が２２．５ｄｅｇ傾いた状態であるから、４ｄｅｇ以上４１ｄｅｇ以下の範囲の傾きは、２２．５ｄｅｇ±１８．５ｄｅｇの範囲と同じことである。
【００２２】
本発明では、溝の四隅部分を除く側面がこのように傾けられると四隅に丸みが付されたリング状の溝の、四隅部分に(１１０)面が露出しないようにされる。
【００２３】
本発明のリング状の溝の角部分の断面顕微鏡写真を図１１に示す。(１００)面に対する傾きは４deg、成長速度０．０２μｍ／分である。溝内部はシリコン単結晶で充填されている。
【００２４】
それに対し、従来技術のように、リング状の溝の四隅部分に(１１０)面が露出された場合を図１２に示す。充填されずにボイドが生じているのが分かる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１(ａ)の符号５１はシリコンインゴットを示しており、符号５２はシリコンインゴット５１の中心軸線５５に対する垂直な面を示している。この面５２は、(１００)面である。
【００２６】
また、符号５３はシリコンインゴット５１を切断し、シリコンウェハを切り出す切断面を示している。本発明では、シリコンインゴット５１を切断するとき、切断面５３が＜１１０＞方向以外の方向に向けられている。即ち、切断面５３が(１００)面に対して平行にも垂直にもならないようにされている。
【００２７】
図１(ｂ)の符号５６は、その切断方法によって切断されたウェーハ基板を示している。また、符号５８は、シリコンインゴット５１を切断したときの切断面５３を研磨したミラー面であり、ウェーハ基板５６の表面を示している。
【００２８】
このウェーハ基板５６をＨ₂ガス雰囲気中に置き、１１００℃に昇温させ、原料ガス(例えばＳｉＨＣｌ₃ガス)を導入すると、ウェーハ基板５６の表面５９上にシリコン単結晶がエピタキシャル成長し、図２(ａ)に示すように、エピタキシャル層から成る成長層５７が形成される。この成長層５７とウェーハ基板５６とで、後述の溝形成工程や拡散工程の対象となるシリコン基板６０が得られる。
【００２９】
次に、成長層５７の表面５９側を部分的にエッチングし、同図(ｂ)に示すようにリング状の溝２２や、他の形状の溝を形成する。ここで、リング状の溝２２を含む各溝の底面は成長層５７の表面に対して平行であり、側面は、表面５９に対して垂直になっている。
【００３０】
リング状の溝２２と、成長層５７の(１００)面の関係を図３に示す。リング状の溝２２の四隅の各角部分は、半径０．５μｍ以上の円の四半分円の形状であり、即ち、リング状の溝２２の四隅部分には丸みが付されている。耐圧を高くするためには半径を大きくする必要があるため、要求される耐圧が大きくなるほど半径も大きくなる。
【００３１】
リング状の溝２２の側面のうち、外周側側面２２ａと内周側側面２２ｂは一定間隔に形成されており、従って、リング状の溝２２の側面の四隅の曲面部分を除く平面部分の外周側側面２２ａと内周側側面２２ｂとは互いに平行になっている。
【００３２】
図３の立方体４７は、成長層５７の(１００)面で囲まれた領域を示しており、同図中、＜１００＞方向、＜０１０＞方向、又は＜００１＞方向が、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸として示されている。図３では、Ｚ軸が＜１００＞方向である。
【００３３】
リング状の溝２２の底面と、平面部分の外周側面２２ａと内周側側面２２ｂは、(１００)面が露出する状態から、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対して、所定角度θ_x、θ_y、θ_zだけ傾けられており、この例では、リング状の溝２２の側面の平面部分と底面と、成長層５７の表面５９の全てが(１００)面に対して傾けられている。
【００３４】
この場合、リング状の溝２２の四隅の曲面部分には、(１１０)面は露出せず、且つ、リング状の溝２２の底面と外周側側面２２ａ及び内周側側面２２ｂの平面部分には(１００)面は露出しない。
【００３５】
このようなシリコン基板６０を、所定の原料ガス雰囲気中に置き、シリコンエピタキシャル成長法によってリング状の溝２２を含む各溝の内部に、成長層５７とは異なる導電型のシリコン単結晶を成長させ、溝内をそのシリコン単結晶で充填する。
【００３６】
図２(ｃ)の符号２３は、そのシリコン単結晶を示している。四隅の曲面部分には(１１０)面は露出していないため、(１１０)面が露出している場合に比べてシリコン単結晶の成長速度は速くなっている。そのため、リング状の溝２２の内部は成長したシリコン単結晶２３によって隙間なく充填され、ガードリング２０が形成される。
【００３７】
ここで、リング状の溝２２の(１００)面に対する傾きは、四隅の曲面部分の結晶成長速度が効果的に速くなる程度の大きさが必要である。
【００３８】
逆に、傾きが大きすぎると、リング状の溝２２の側面の平面部分が(１１０)面に近づき、結晶成長速度が遅くなりすぎてしまうため、(１００)面に対する傾きは４ｄｅｇ以上２３ｄｅｇ以下の範囲が適している。
【００３９】
次に、上記のようなガードリング２０を複数本数有する本発明の半導体装置の拡散構造を説明する。
【００４０】
図７は、本発明の第一例の半導体装置１０１の拡散構造を示す平面図である。この図７では、シリコン基板６０の表面に形成された薄膜は省略してある。
【００４１】
各ガードリング２０は同心状に配置されており、最内周のガードリング２０の内側に、下記のようなＭＯＳトランジスタを有する活性領域１１０が配置されている。
【００４２】
ここで、ｐ型又はｎ型のうち、一方を第一導電型、他方を第二導電型とすると、成長層５７とウェーハ基板５６とは両方とも第一導電型であり、活性領域１１０の一部を構成する成長層５７の内部の表面側には、第二導電型のベース層１３０が配置されている。
【００４３】
活性領域１１０のＡ−Ａ線切断面図を図８(ａ)に示す。
図８(ａ)に示された通り、リング状の溝２２を形成する工程において、活性領域１１０内には直線状の溝１２２が複数本形成されており、各溝１２２内部は、リング状の溝２２を充填する工程で、シリコン単結晶２３が充填されている。
【００４４】
活性領域１１０内の溝１２２の内壁面の上部にはゲート絶縁膜１３１が配置されており、ゲート絶縁膜１３１で囲まれた溝１２２の内部空間には、ゲート電極１３２が充填されている。
【００４５】
また、ベース領域１３０内の表面側には、第一導電型のソース領域１３３が配置されており、ソース領域１３３を除く全部又は一部の領域には、ベース領域１３０よりも高濃度の第二導電型のオーミック領域１３５が配置されている。
【００４６】
ソース領域１３３とオーミック領域１３５上には、ソース領域１３３とオーミック領域１３５に接触し、各領域１３３、１３５とオーミック接合を形成するソース電極１３４が配置されている。このソース電極１３４とゲート電極１３２の間には絶縁膜１３７が配置されており、ソース電極１３４とゲート電極１３２の間は絶縁されている。
【００４７】
ソース領域１３３の深さはベース領域１３０よりも浅く、ソース領域１３３の端部はゲート絶縁膜１３１と接触している。ゲート絶縁膜１３１とゲート電極１３２とは、ベース領域１３０よりも深い位置まで伸びており、従って、ゲート絶縁膜１３１は、上部ではソース領域１３３と接触し、ソース領域１３３の下方位置ではベース領域１３０に接触し、ベース領域１３０よりも深い位置では成長層５７に接触している。
【００４８】
シリコン基板６０の成長層５７とは反対側の面、即ちウェーハ基板５６が露出する面には、ウェーハ基板５６とオーミック接合を形成するドレイン電極１３９が配置されており、ソース電極１３４とドレイン電極１３９の間に、ベース領域１３０と成長層５７の間に形成されたｐｎ接合を逆バイアスする極性の電圧を印加し、その状態でゲート電極１３２にしきい値電圧以上の電圧を印加すると、ゲート絶縁膜１３１を間に挟んでゲート電極１３２に面する部分のベース領域１３０が第一導電型に反転し、第一導電型の反転層が形成される。
【００４９】
ソース領域１３３と成長層５７とはその反転層によって接続され、ソース電極１３４とドレイン電極１３９の間に電流が流れる。
【００５０】
他方、ガードリング２０が配置された領域のＢ−Ｂ線切断面図は、図８(ｂ)に示されている。リング状の溝２２内部のシリコン単結晶２３は、ソース電極１３４やゲート電極１３２には接続されておらず、フローティング電位に置かれている。
【００５１】
ベース領域１３０と成長層５７との間の印加電圧が大きくなり、ベース領域１３０から空乏層が広がると、その空乏層は最内周に位置するガードリング２０に達し、更に、それよりも外側に位置するガードリング２０に向けて順次広がるので、ガードリング２０が存在しない場合に比べて空乏層の広がりが大きくなり、成長層５７表面での電界強度が緩和される。
【００５２】
上記半導体装置１０１はトランジスタであったが、本発明はそれに限定されるものではない。
【００５３】
図９は、本発明の他の例の半導体装置１０２の拡散構造を示す平面図であり、上記図７と同様に、シリコン基板６０の表面に形成された薄膜は省略してある。
【００５４】
この半導体装置１０２は、上記半導体装置１０１と同様に、ウェーハ基板５６上に、ウェーハ基板５６と同じ導電型の成長層５７が形成され、成長層５７には、(１００)面に対して４ｄｅｇ以上２３ｄｅｇ以下の範囲で傾いたリング状の溝２２が複数本数形成されている。そして、リング状の溝２２内には、成長層５７とは反対の導電型のシリコン単結晶２３がボイドや窪み無く充填されている。
【００５５】
各リング状の溝２２は同心状に配置されており、その最内周よりも内側の領域は活性領域１６０にされている。
【００５６】
図９のＩ−Ｉ線とＩＩ−ＩＩ線切断面図を、それぞれ図１０(ａ)、(ｂ)に示す。
活性領域１６０には、リング状の溝２２と同時に形成された複数本の溝１５２が配置されている。その溝１５２内には、リング状の溝２２を充填したのと同じシリコン単結晶２３が成長されている。
【００５７】
また、活性領域１６０の表面には、ショットキー電極１５４が配置されている。このショットキー電極１５４は、活性領域１６０内の溝１５２に充填されたシリコン単結晶２３と、活性領域１６０内の溝１５２間に露出する成長層５７表面に接触しており、シリコン単結晶２３とはオーミック接合を形成し、成長層５７とはショットキー接合を形成している。
【００５８】
ウェーハ基板５６表面には裏面側電極１５９が配置されており、ショットキー電極１５４と裏面側電極１５９の間に電圧を印加すると、シリコン単結晶２３と成長層５７との間のｐｎ接合と、ショットキー電極１５４と成長層５７との間のショットキー接合の両方に、同じ電圧が印加される。
【００５９】
シリコン単結晶２３と成長層５７との間のｐｎ接合の極性と、ショットキー電極１５４と成長層５７との間のショットキー接合の極性は、一方が順バイアスされるときに他方も順バイアスされ、一方が逆バイアスされるときに他方も逆バイアスされるようになっている。
【００６０】
但し、ショットキー接合の順方向電圧はｐｎ接合の順方向電圧よりも小さいので、ショットキー接合が順バイアスされるときには、ｐｎ接合は、ショットキー接合の順方向電圧でクランプされるため、ショットキー接合には電流が流れるが、ｐｎ接合には電流は流れない。
【００６１】
逆に、ショットキー接合とｐｎ接合が逆バイアスされると、ガードリング２０方向に空乏層が広がり、内側のガードリング２０から外側のガードリング２０に空乏層が順次到達するため、ガードリング２０を有さない場合に比べて電界強度が緩和されている。
【００６２】
なお、上記例ではリング状の溝２２の側面の平面部分と底面、及び成長層５７の表面の全部が(１００)面に対して傾いていたが、本発明はそれに限定されるものではなく、丸みが付された四角リング状の溝２２の四隅の曲面部分に(１１０)面が露出しないように傾ければよい。
【００６３】
例えば、図４に示すように、リング状の溝２２がＸ軸回りに回転している場合、ＺＹ平面と平行な面以外の面は、Ｙ軸方向とＺ軸方向に対して角度θ_y，θ_zを持つが、ＺＹ平面と平行な面には(１００)面が露出したままになる。
【００６４】
同様に、図５に示すようにＹ軸回りに回転させた場合も、ＸＺ平面に平行な面以外の面が角度θ_x，θ_z傾くが、ＸＺ平面に平行な面は(１００)面が露出したままになる。
【００６５】
それに対し、図６に示すように、リング状の溝２２の対角線４８回りに回転させた場合、溝２２を構成する側面や底面がＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対して角度θ_x，θ_y，θ_zを持って傾いても、対角線４８が通る隅の曲面には(１１０)面４９が露出したままになる。従って、このような傾き方は本発明に含まれない。
【００６６】
なお、上記シリコンインゴット５１は、中心軸線５５に対する垂直な面５２が、(１００)面であったが、本発明には、(１００)面が中心軸線５５に対して傾いたオフアングル付のインゴットも用いることができる。
【００６７】
【発明の効果】
リング状の溝の四隅部分をボイド無くシリコン単結晶で充填することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】(ａ)、(ｂ)：本発明で使用するシリコン基板の製造工程を説明するための図
【図２】(ａ)〜(ｃ)：溝形成と溝を充填する工程を説明するための図
【図３】溝の傾きの第一例を説明するための図
【図４】溝の傾きの第二例を説明するための図
【図５】溝の傾きの第三例を説明するための図
【図６】不適切な溝の傾きを説明するための図
【図７】本発明の一例の半導体装置の拡散構造を説明するための平面図
【図８】(ａ)：そのＡ−Ａ線切断面図 (ｂ)：Ｂ−Ｂ線切断面図
【図９】本発明の他の例の半導体装置の拡散構造を説明するための平面図
【図１０】(ａ)：そのＩ−Ｉ線切断面図 (ｂ)：ＩＩ−ＩＩ線切断面図
【図１１】本発明の半導体装置の溝の角部分の断面顕微鏡写真
【図１２】従来技術の半導体装置の溝の角部分の断面顕微鏡写真
【図１３】(ａ)：従来技術の半導体装置の拡散構造を説明するための平面図
(ｂ)：その部分拡大図
【図１４】(ａ)、(ｂ)：従来技術の半導体装置の製造工程を説明するための切断面図であって、図１３(ａ)の平面図のＸ−Ｘ線切断面の位置の断面図
【符号の説明】
６０……シリコン基板
２２、１２２、１５２……溝
２２……リング状の溝
２２ａ、２２ｂ……側面

Claims

切断面の面方位が(１００)面に対して平行にも垂直にもならないように、且つ前記切断面の面方位が(１１０)方向とは異なる方向に向けられるように、シリコンインゴットが切断され、前記切断面の表面に第一のシリコン単結晶がエピタキシャル成長されて形成されたシリコン基板と、
前記シリコン基板の前記第一のシリコン単結晶の表面に形成された複数の溝とを有し、
前記溝内には、エピタキシャル成長法によって成長された第二のシリコン単結晶が充填された半導体装置であって、
前記溝のうちの一乃至複数個は、四隅部分に丸みが付された四角リング形状に形成され、前記四角リング形状の前記溝内に充填された前記第二のシリコン単結晶によってガードリングが形成され、
前記リング状の溝の四隅部分を除く側面は、互いに直交又は平行に位置する側面によって形成されており、
前記リング状の溝は、該溝の前記四隅部分を除く前記側面と底面が、前記シリコン基板の(１００)面から傾けられ、前記四隅部分に(１１０)面が露出しないようにされて前記溝内が前記第二のシリコン単結晶で充填された半導体装置。
前記四角リング形状の溝で囲まれた領域に、トランジスタが形成された請求項１記載の半導体装置。
前記四角リング形状の溝で囲まれた領域に、ダイオードが形成された請求項１記載の半導体装置。