JP4528997B2 - Silicon wafer manufacturing method and silicon wafer - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーMOSなどに使用される、柱状の断面形状の導電型領域が形成されたシリコンウェーハ、およびシリコンウェーハの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、高耐圧でありながらオン抵抗の低減化による電流容量の増大が可能な縦形MOSFETとして、図5に示すように、柱状のn型領域20aと柱状のp型領域20bとが交互に配置された構造をドリフト領域20に有するパワーMOSFET100が開発されている。
パワーMOSFET100は、ゲートGと、該ゲートGの下方に形成される柱状のn型領域20aと、ソースSと、該ソースSの下方であってn型領域20aの間に形成された柱状のp型領域20bと、ゲートGおよびソースSから離間した位置に形成され、前記柱状領域群からなるドリフト領域20に接続されたドレイン領域20cとを有する。
【0003】
上記構成を有するパワーMOSFET100がON状態の時は、複数並列に配置したn型柱状領域20aを介してドレイン領域20cにドリフト電流が流れる。また、パワーMOSFET100がOFF状態の時は、p型柱状領域20bとn型柱状領域20aとの各pn接合からそれぞれに空乏層が広がることにより、高耐圧を実現できる。
【0004】
このようなパワーMOSFET100を製造するためのシリコンウェーハ101は、その内部に、所望の幅および高さの柱状の導電形領域を形成する必要がある。そのため、従来シリコンウェーハ101の製造は、図5(b)に示すように、シリコン単結晶基板21の主表面上に、p型およびn型の不純物拡散領域が形成されたシリコンエピタキシャル層22,23,24,25を複数層積層することにより行われている。
すなわち、シリコン単結晶基板21の主表面上にシリコンエピタキシャル層(以降、単にエピタキシャル層と記載する)22を形成し、フォトリソグラフィーおよびイオン注入によってエピタキシャル層の所望の位置に所望の不純物を拡散させる。その後、エピタキシャル層23,24,25についても同様の工程を繰り返すことにより、柱状のp型およびn型領域を形成するのである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述のように、エピタキシャル成長と、フォトリソグラフィー、およびイオン注入、等の工程を何度も繰り返す手法では、製造に大変なコストがかかる。特に、高耐圧のパワーMOS用基板の場合、p型およびn型の柱状領域をより高くする必要があるため、製造工程がさらに増え、コストが益々増大することとなる。加えて、製造時に多くの工程を経ることにより、歩留まりが低下する恐れもある。
【0006】
本発明の課題は、より少ない工程でパワーMOS用基板を製造できる、シリコンウェーハの製造方法、およびシリコンウェーハを提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、発明者等は、シリコン単結晶ウェーハの主表面から厚さ方向にトレンチ(溝)を形成したのち、シリコンエピタキシャル層を当該トレンチ内部に形成させる方法でのパワーMOS用シリコンウェーハの製造を試みた。しかし、エピタキシャル成長を施して、トレンチ内部をエピタキシャル層で埋めようとすると、トレンチの開口部でファセットが生じるなど、トレンチ内部より開口部でのエピタキシャル層の成長速度が速くなることがある。その結果、トレンチ内部に完全にエピタキシャル層が形成されないままトレンチ上部が塞がれ、トレンチ内部にスリット状あるいは泡状の空洞が形成されてしまうことがある。このように、柱状の導電型領域に空洞が形成されていると、耐圧特性に影響を及ぼしたり、空洞が原因となって基板に割れが生じることもあるため好ましくない。
一方、空洞なくトレンチ内部を埋めるために、トレンチ開口部のエピタキシャル層をエッチング等で除去しながら、トレンチ内部にエピタキシャル層を形成させる方法も試みられている。しかし、この場合もエピタキシャル層の形成と、エッチング等とを行う必要から、手間がかかってしまう。そこで、更なる検討が重ねられた結果、本発明に至った。
【0008】
すなわち本発明による第1の手段は、第2導電型のシリコン単結晶ウェーハの主表面から厚さ方向にトレンチを形成して柱状の第2導電型領域を形成する工程と、前記シリコン単結晶ウェーハのトレンチの側面部と底面部とに第1導電型のシリコンエピタキシャル層を形成し、前記シリコンエピタキシャル層の形成されたトレンチ内部を第1導電型の不純物がドープされたポリシリコンで埋め該シリコンエピタキシャル層と該ポリシリコンとからなる柱状の第1導電型領域を形成する工程と、を含み、前記柱状の第1導電型領域と前記第2導電型領域の不純物量が等しく形成されることを特徴とするシリコンウェーハの製造方法である。
尚、第1の手段のシリコンウェーハの製造方法は、前記ポリシリコン形成後の前記シリコン単結晶ウェーハの主表面を研磨する工程と、当該研磨されたシリコン単結晶ウェーハの主表面上に、ソースやゲート等を形成するためのシリコン単結晶薄板を貼り合わせる工程とをさらに含んでもよい。
【0009】
ここで、シリコン単結晶ウェーハとしては、シリコン単結晶のインゴットからスライスして形成した鏡面ウェーハでもよく、またはその主表面上にエピタキシャル層を形成させたものでもよい。
シリコン単結晶ウェーハにトレンチを形成するとは、例えばパワーMOS用など、主表面上に柱状のn型領域と柱状のp型領域とを設けたシリコンウェーハを製造する場合において、シリコン単結晶ウェーハの主表面上に、柱状のp型領域を形成させるためのトレンチを形成することである。従ってこの場合、トレンチは所望とするp型領域の幅、深さに形成される。
また、シリコン単結晶ウェーハの主面上に形成されたp型エピタキシャル層に、n型の柱状領域を形成させる場合も同様であって、トレンチは所望とするn型領域の幅および深さに形成される。
また、トレンチ内周部表面にシリコンエピタキシャル層を形成するとは、トレンチ内部の側面部と底面部とに、エピタキシャル層を形成させるということである。さらにポリシリコンは、シリコンエピタキシャル層が形成されたトレンチ内部を埋めるように形成させる。
【0010】
第1の手段によれば、第2導電型のシリコン単結晶ウェーハにトレンチを形成して柱状の第2導電型領域を形成し、当該トレンチの側面部と底面部とに第1導電型のエピタキシャル層を形成させた後、トレンチ内部を第1導電型の不純物がドープされたポリシリコンで埋めることにより、トレンチの内周部に沿ってエピタキシャル層が形成され、内部がポリシリコンで完全に埋められた柱状の第1導電型領域、つまり該シリコンエピタキシャル層と該ポリシリコンとからなる柱状の第1導電型領域を形成できる。
例えば、トレンチ周囲の領域がn型のエピタキシャル層とした場合、トレンチ内周部に形成させるエピタキシャル層をp型とすると、トレンチ周囲とトレンチ内周部との境界領域に空乏層を形成させることができる。そして、このような柱状の導電型領域をシリコン単結晶ウェーハ中に複数形成させれば、パワーMOS用として使用できるシリコンウェーハを製造することができる。
従って、従来の方法に比べ、より少ない工程で、内部に空洞のない柱状の導電型領域を形成することができるので、従来に比べて手間やコストを抑えることができ、また製品の歩留まりの低下を抑えることができる。
【0011】
また第1の手段のシリコンウェーハの製造方法において、トレンチ内周部表面にエピタキシャル層を形成させた後、このシリコンエピタキシャル層が形成された領域の内側表面に酸化膜を形成し、その後、酸化膜の形成された領域内部をポリシリコンで埋め、そのポリシリコン形成後のシリコン単結晶ウェーハの主表面を研磨し、研磨されたシリコン単結晶ウェーハの主表面に、シリコン単結晶基板を貼り合わせるようにしてもよい。このように製造されるシリコンウェーハでは、シリコンエピタキシャル層と、ポリシリコンとの間に酸化膜が介在する。従って、パワーMOS用の基板として使用する際のソース−ドレイン間の絶縁性が良好なシリコンウェーハを製造できる。
【0012】
本発明による第2の手段は、内部に柱状の第1導電型領域および第2導電型領域が交互に形成されているシリコンウェーハにおいて、前記第1導電型領域または前記第2導電型領域の一方は、シリコン単結晶ウェーハの主表面から厚さ方向にトレンチを形成することによって残された柱状の領域であり、他方は、前記トレンチの側面部と底面部とに形成されたシリコンエピタキシャル層と、該シリコンエピタキシャル層に囲まれた領域を埋めるように形成されたポリシリコン部とからなり、前記第1導電型領域と前記第2導電型領域の不純物量が等しいことを特徴とするシリコンウェーハである。
【0013】
第2の手段のシリコンウェーハにおいては、シリコンエピタキシャル層に囲まれた領域を埋めるようにポリシリコンが形成されており、柱状導電型領域の内部は空洞を有しないので、パワーMOS用として利用される際の耐圧特性が良好であり、またシリコンウェーハの割れの発生も抑えられるので好適である。
【0014】
また第2の手段のシリコンウェーハにおいては、ポリシリコン部に、シリコンエピタキシャル層にドープされるn型またはp型のいずれか一方の不純物と同型の不純物がドープされていてもよい。このように構成されるシリコンウェーハでは、ポリシリコン部にドープされる不純物量によってチャージバランスを制御できる。従って、不純物量の制御がより容易であるので、製造コストを削減でき、生産性を向上させることも可能となる。
【0015】
また、第2の手段のシリコンウェーハにおいて、第1導電型領域または第2導電型領域の一方を、シリコン単結晶ウェーハの主表面から厚さ方向にトレンチを形成することによって残された柱状の領域で構成し、他方を、トレンチの側面部と底面部とに形成されたシリコンエピタキシャル層と、該シリコンエピタキシャル層に囲まれた領域を埋めるように形成されたポリシリコン部とから構成すると共に、酸化膜で囲まれた領域内のポリシリコン部を、不純物がドープされていないポリシリコンで構成することとしてもよい。このように構成されたシリコンウェーハは、シリコンエピタキシャル層とポリシリコン部との間に酸化膜が介在するので、パワーMOS用の基板として使用する際のソース−ドレイン間の絶縁性が良好となる。
さらに、第2の手段のシリコンウェーハにおいて、シリコンエピタキシャル層に囲まれた領域内のポリシリコン部を、不純物がドープされていないポリシリコンで構成することとしてもよい。
以上のように、ポリシリコン部を、不純物がドープされていないポリシリコンで構成すれば、当該シリコンウェーハがパワーMOSFETとして使用される際、電圧の印加によって漏れ電流が発生することが抑えられるので好ましい。
【0016】
【発明の実施の形態】
〔第1の参考形態〕
以下、図1を参照して本発明の参考例としての、第1の参考形態を説明する。第1の参考形態において製造されるシリコンウェーハは、例えばパワーMOS用として使用されるものである。
本参考形態においては、シリコンエピタキシャルウェーハのn型エピタキシャル層中に、p型の柱状導電型領域を形成させる方法について説明する。
【0017】
本第1の参考形態のシリコンウェーハの製造方法では、シリコン単結晶インゴットをスライスし、鏡面加工が施されたn型シリコン単結晶ウェーハ(以下、ウェーハ1と記載する)を用いる。このウェーハ1には、パワーMOSとして使用される際にドレインが形成される。
【0018】
このウェーハ1の主表面上に、所望の厚さのn型シリコンエピタキシャル層2を、気相成長によって形成させる。n型エピタキシャル層2の厚さは、所望とする柱状p型領域の高さとする。
【0019】
次いで、ウェーハ1の主表面に形成させたn型エピタキシャル層2主表面の所望の位置(柱状のp型領域を形成させる位置)から厚さ方向に、幅等が所望の形状のトレンチTを形成させる。トレンチの深さは、エピタキシャル層2の厚さに等しく、トレンチの底面部はウェーハ1の主表面に達するように形成させる。トレンチTの形成は、例えばフォトリソグラフィーおよびエッチングによって行う。
尚、トレンチTの平面形状(ウェーハ1を上方から見た場合の形状)や、トレンチの数は任意であって、所望のパワーMOS構造に応じて適宜設定する。図1(a)においては、トレンチTを、3箇所に形成した時のウェーハ1の断面形状を示している。このように複数のトレンチTを形成させる場合、トレンチTの間隔は、所望とするパワーMOS構造に応じて適宜設定する。
【0020】
トレンチTを形成させたウェーハ1にシリコンエピタキシャル成長を施し、トレンチTの側面部と底面部とに、p型のエピタキシャル層3を形成させる。
p型エピタキシャル層3の形成は、例えば枚葉式の気相成長装置によって行い、ウェーハ1を装置内の反応室に設置して加熱するとともに、ウェーハ1の主表面上に、モノシラン、ジクロロシラン、またはトリクロロシラン等のシリコン原料ガスと、ドーパントガスとを、キャリアガスとともに流通させる。ドーパントガスとしては、p型半導体を形成するための不純物であればよく、例えばジボラン(B2H6)等とする。
【0021】
ここで、p型エピタキシャル層3を厚めに形成させると、トレンチT上部にファセットが形成されて、トレンチTの内部に空洞ができた状態で上部が塞がれてしまうことがある。従って、トレンチTの上部が塞がれることなくエピタキシャル層3を形成させるために、エピタキシャル成長時におけるウェーハ1の加熱温度を通常のエピタキシャル成長温度(約1000℃〜1200℃)より低め(約700℃〜1000℃)にし、且つ減圧下で成長する。すると、エピタキシャル成長の速度が遅くなり、トレンチTの上部が塞がれることなくトレンチTの側面部と底面部とに薄いエピタキシャル層3を形成させることができるので好ましい。
【0022】
トレンチTの側面部と底面部とにエピタキシャル層3を形成させたウェーハ1(図1(b))において、トレンチTの内部を埋めるように、不純物をドープせずに(以下、ノンドープとも記載する)ポリシリコンを形成させる(図1(c))。ポリシリコンは、気相成長装置内において、ウェーハ1を約600℃に加熱して、シリコン原料ガスを流通させることにより形成させる。ポリシリコンは非晶性に成長することにより、トレンチ内部を隙間なく好適に埋めることが可能である。
エピタキシャル層3に囲まれたトレンチTの内部に形成させたポリシリコンを、ポリシリコン部4とする。
【0023】
トレンチT内部にポリシリコン部4を形成させた後、n型エピタキシャル層2の主表面の研磨を行う。p型エピタキシャル層3およびポリシリコン部4の形成後においては、トレンチT内部だけでなく、n型エピタキシャル層2の主表面上にもp型エピタキシャル層やポリシリコンが堆積している。従って、研磨によって、n型エピタキシャル層2の主表面上の余分なp型エピタキシャル層およびポリシリコンを除去するとともに、n型エピタキシャル層2の主表面を平坦にする。
研磨は、例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing)法により行う。
【0024】
n型エピタキシャル層2とp型エピタキシャル層3およびポリシリコン部4を形成させ、研磨した後のウェーハをシリコンウェーハ10(図1(d))とする。このように製造されたトレンチTの領域は、トレンチTの側面部と底面部とにp型エピタキシャル層3が形成され、また内部がポリシリコン部4で完全に埋められた、断面形状が柱状のp型領域6(第1導電型領域)となる。図1のように、トレンチTによる柱状のp型領域6を複数(図では3個)形成させた場合、シリコンウェーハ10の主表面上部は、トレンチTに形成された柱状のp型領域6と、トレンチTの間の柱状のn型領域7(第2導電型領域)とが、交互に配列された構成となる。
【0025】
さらにシリコンウェーハ10の主表面上に、シリコン単結晶の薄板5を貼り合わせる。
貼り合わせ方法は、薄板5と、シリコンウェーハ10の主表面とを、異物を介在させることなく相互に密着させた後、約1000〜1200℃の温度で熱処理することにより結合させる。尚、貼り合わせた薄板5の主表面を、必要に応じて研磨し、所望の厚さにしてもよい。
【0026】
尚、薄板5の貼り合わせは、水素イオン注入剥離法(スマートカット法とも呼ばれている)によって行ってもよい。この方法では、貼り合わせるためのシリコン単結晶基板の表面に酸化膜を形成させた後、その主表面側に水素イオンを所定の深さに打ち込む。そして、このシリコン単結晶基板の酸化膜を除去した後、裏面側をシリコンウェーハ10の主表面上に密着させて熱処理を施す。この熱処理により、シリコン単結晶基板の主表面側の水素イオンが打ち込まれた領域が剥離して、所定の厚さの薄板5となる。
【0027】
薄板5と貼り合わせられたシリコンウェーハ10は、薄板5に、所望とするパワーMOS構造に応じたp型領域やn型領域或いは酸化膜等を適宜形成してソースSおよびゲートGを設け、シリコンウェーハ10裏面側にドレインDを設けるなどして利用される。
このように製造されるシリコンウェーハ10は、トレンチTに形成された柱状のp型領域6と、トレンチT間の柱状のn型領域7との境界領域で、空乏層を形成させることができ、パワーMOS構造を形成させることができる。
【0028】
以上のシリコンウェーハ10の製造方法によれば、ウェーハ1の主表面上にn型エピタキシャル層2を形成させた後、トレンチTを形成する工程と、トレンチTの内周部表面にエピタキシャル層3を形成させる工程と、エピタキシャル層3の形成されたトレンチT内部をポリシリコン部4で埋める工程とによって、柱状のp型領域6と、柱状のn型領域7とが配列したシリコンウェーハ10を製造できる。そして、ポリシリコン部4形成後に表面を研磨したシリコンウェーハ10に薄板5を貼り合わせて、パワーMOS構造を形成させることができる。
従って、エピタキシャル層形成と、フォトリソグラフィーおよびイオン注入の繰り返しによる従来の方法に比べ、より少ない工程でシリコンウェーハ10を製造できるので、コストを削減でき、また歩留まりの低下を抑えることができる。さらに、トレンチ内部に空洞がない柱状導電型領域を形成できるので、製造されたシリコンウェーハ10は耐圧特性が良好であって、また空洞が原因となる割れの発生が低減されるので好適である。
【0029】
なお、本第1の参考形態は、上記の記載に限定されることはない。
例えば、ウェーハ上にp型のエピタキシャル層を形成させ、そのp型層にトレンチを形成した後、トレンチ内部にn型エピタキシャル層を形成させることにより、柱状のn型領域とトレンチ間の柱状p型領域とを形成するようにしてもよい。
【0030】
〔第1の実施の形態〕
以下、本発明における第1の実施の形態を説明する。本実施の形態におけるシリコンウェーハの製造方法は、上記第1の参考形態で説明したシリコンウェーハの製造方法のうち、トレンチT内部にエピタキシャル層3を形成する工程まで同様であるので、説明を省略する。
【0031】
第1の実施の形態では、エピタキシャル層3を形成させたシリコンウェーハ10のトレンチTの内部にポリシリコン部4’を形成させる際、シリコン原料ガスとともにドーパントガスを流通させて、ポリシリコン部4’に不純物をドープさせる。不純物としては、p型またはn型のうちエピタキシャル層3と同じタイプとする。上記第1の参考形態ではエピタキシャル層3がp型であるので、p型不純物がドープされたポリシリコン部4’を形成する。
【0032】
また、ポリシリコン部4’にドープさせる不純物の量としては、p型エピタキシャル層3とp型ポリシリコン部4’のアクセプタ量の和が、n型エピタキシャル層2のドナー量と等しくなるようにする。このように形成されたシリコンウェーハをパワーMOSに用いると、MOSFETがオフ状態の時、空乏層がポリシリコン部4’の内部にまで広がる。
このようにして、p型のポリシリコン部4’を形成させた後、上記第1の参考形態と同様に、n型エピタキシャル層2の主表面の研磨を行ってシリコンウェーハ11(図2に断面図で示す)を形成する。そしてシリコンウェーハ11の主表面上に、シリコン単結晶の薄膜5を貼り合わせ、パワーMOS用の基板として用いる。
【0033】
このように形成されたシリコンウェーハ11においては、上記第1の参考形態におけるシリコンウェーハ10のように、より少ない工程でパワーMOS用基板を製造できることに加え、ポリシリコン部4’にドープされる不純物量によってチャージバランスを制御できる。従って、チャージバランス不良による歩留まり低下等を低減できるので、製造コストを削減でき、また生産性を向上させることも可能となるので好ましい。
【0034】
〔第2の参考形態〕
第2の参考形態においては、上記第1の参考形態で説明したシリコンウェーハの製造方法のうち、トレンチT内部にエピタキシャル層3を形成する工程まで同様であるので、説明を省略する。
第2の参考形態では、トレンチTの内部にエピタキシャル層3を形成した後、エピタキシャル層3の内側表面に酸化膜41を形成する。酸化膜41の形成方法としては、熱酸化による方法や、CVD法等で行うことができる。尚、この酸化膜41は不純物をドープせずに形成する。
【0035】
酸化膜41の形成後、酸化膜41で囲まれた領域内部を埋めるように、ポリシリコン部4を、不純物をドープせずに形成する。その後、第1の参考形態と同様に、n型エピタキシャル層2の主表面の研磨を行ってシリコンウェーハ12(図3に断面図で示す)を形成する。そしてシリコンウェーハ12の主表面上に、シリコン単結晶の薄膜5を貼り合わせ、パワーMOS用の基板として用いる。
【0036】
ポリシリコンは、界面準位が大きく、電界がかかることにより電子正孔対が発生しやすい。そのため、トレンチTの内側に形成させたエピタキシャル層3の内部をノンドープのポリシリコン部4で埋めたり(図4)、また図2のように、ポリシリコン部4’に不純物がドープされている場合、パワーMOSFETとして使用する際、電圧の印加で正孔電子対40が発生し、漏れ電流が生じることも考えられる。
この第2の参考形態で製造されるシリコンウェーハ12においては、エピタキシャル層3とノンドープのポリシリコン部4との間に酸化膜41が介在し、絶縁膜として働くので、パワーMOSに使用する際のソース−ドレイン間の絶縁性が良好となる。
従って、第2の参考形態によれば、従来より少ない工程でパワーMOS用基板を製造できることに加え、絶縁性の良好なシリコンウェーハ12を製造できるので好ましい。
【0037】
上記参考形態のシリコンウェーハの製造方法においては、所望とするパワーMOS基板の特性に応じて、ポリシリコンに不純物をドープさせるか否か、またトレンチTの内部のエピタキシャル層とポリシリコン部との間に酸化膜を設けるかを適宜選択して、目的に応じたシリコンウェーハを製造すればよい。
【0038】
【発明の効果】
本発明の第1の手段によれば、シリコン単結晶ウェーハの主表面から厚さ方向にトレンチを形成し、当該トレンチの側面部と底面部とにエピタキシャル層を形成させた後、トレンチ内部を埋めるようにポリシリコンを形成させることにより、シリコン単結晶ウェーハの内部に、柱状の導電型領域を形成できる。
従って、従来のエピタキシャル層形成と、フォトリソグラフィー、およびイオン注入の繰り返しによる方法に比べ、より少ない工程で、柱状の導電型領域を形成できるので、パワーMOS用シリコンウェーハの製造においてコストを削減でき、また歩留まりの低下を抑えることができる。さらに、トレンチ内部をポリシリコンで埋めることで、内部に空洞のない柱状導電型領域を形成できる。
【0039】
第2の手段によれば、シリコンウェーハの内部に形成される第1導電型領域もしくは第2導電型領域のいずれか一方は、その側面部と底面部とにシリコンエピタキシャル層が形成されている。
そして、シリコンエピタキシャル層に囲まれた領域を埋めるようにポリシリコンが形成されているので、柱状導電型領域は内部に空洞を有しないため、耐圧特性が良好であり、基板の割れの発生も抑えられ好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1の参考形態によるパワーMOS用シリコンウェーハの作成工程を示し、(a)はn型エピタキシャル層にトレンチを形成した様子、(b)は(a)のトレンチの側面部及び底面部にp型エピタキシャル層を形成した様子、(c)は(b)のトレンチ内部をポリシリコンで埋めた様子、(d)は(c)のシリコンウェーハの主表面を研磨した様子、(e)は(d)のシリコンウェーハ主表面にシリコン単結晶薄板を貼り合わせた様子を示す断面図である。
【図2】 本発明の第1の実施の形態で製造されるシリコンウェーハを示す断面図である。
【図3】 第2の参考形態で製造されるシリコンウェーハを示す断面図である。
【図4】 第1の参考形態で製造されるシリコンウェーハにおいて、正孔電子対が発生する様子を示す断面図である。
【図5】 (a)はパワーMOS構造の一例を示す断面図であり、(b)は従来の方法で製造されるパワーMOS用のシリコンウェーハの断面図である。
【符号の説明】
1 ウェーハ(シリコン単結晶ウェーハ)
2 n型エピタキシャル層
3 p型エピタキシャル層(シリコンエピタキシャル層)
4 ポリシリコン部
41 酸化膜
5 薄板(シリコン単結晶薄板)
6 柱状のp型領域(第1導電型領域)
7 柱状のn型領域(第2導電型領域)
10,11,12 シリコンウェーハ
T トレンチ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a silicon wafer having a columnar cross-sectional conductivity type region used for a power MOS and the like, and a method for manufacturing the silicon wafer.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as shown in FIG. 5, columnar n-
The
[0003]
When the
[0004]
A
That is, a silicon epitaxial layer (hereinafter simply referred to as an epitaxial layer) 22 is formed on the main surface of the silicon
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, as described above, the method of repeating the steps such as epitaxial growth, photolithography, and ion implantation many times costs a lot of manufacturing. In particular, in the case of a high breakdown voltage power MOS substrate, it is necessary to make the p-type and n-type columnar regions higher, so that the number of manufacturing steps further increases and the cost further increases. In addition, the yield may decrease due to many processes during manufacturing.
[0006]
The subject of this invention is providing the manufacturing method of a silicon wafer which can manufacture the board | substrate for power MOSs by a fewer process, and a silicon wafer.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the inventors have formed a trench (groove) in the thickness direction from the main surface of a silicon single crystal wafer, and then formed a silicon epitaxial layer inside the trench. Attempted to manufacture silicon wafers. However, if epitaxial growth is performed to fill the inside of the trench with an epitaxial layer, the growth rate of the epitaxial layer at the opening may be higher than the inside of the trench, such as faceting at the opening of the trench. As a result, the upper part of the trench is blocked without completely forming the epitaxial layer inside the trench, and a slit-like or bubble-like cavity may be formed inside the trench. Thus, if a cavity is formed in the columnar conductivity type region, it is not preferable because it may affect the pressure resistance characteristics or may cause the substrate to crack due to the cavity.
On the other hand, in order to fill the inside of the trench without a cavity, an attempt has been made to form an epitaxial layer inside the trench while removing the epitaxial layer at the opening of the trench by etching or the like. However, in this case as well, it is necessary to perform formation of an epitaxial layer, etching, and the like, which is troublesome. As a result of further studies, the present invention has been achieved.
[0008]
That is, the first means according to the present invention includes a step of forming a trench in the thickness direction from the main surface of the second conductivity type silicon single crystal wafer to form a columnar second conductivity type region, and the silicon single crystal wafer. Trench Side and bottom of the A silicon epitaxial layer of the first conductivity type is formed on the trench, and the trench in which the silicon epitaxial layer is formed is filled with polysilicon doped with an impurity of the first conductivity type, and a columnar shape comprising the silicon epitaxial layer and the polysilicon is formed. Forming a first conductivity type region, wherein the impurity amounts of the columnar first conductivity type region and the second conductivity type region are formed to be equal to each other. .
The silicon wafer manufacturing method of the first means includes a step of polishing the main surface of the silicon single crystal wafer after the formation of the polysilicon, a source and a source on the main surface of the polished silicon single crystal wafer. And a step of bonding a silicon single crystal thin plate for forming a gate or the like.
[0009]
Here, the silicon single crystal wafer may be a mirror wafer formed by slicing from a silicon single crystal ingot, or may be an epitaxial layer formed on the main surface thereof.
Forming a trench in a silicon single crystal wafer means that, for example, when manufacturing a silicon wafer having a columnar n-type region and a columnar p-type region on the main surface, such as for power MOS, A trench for forming a columnar p-type region is formed on the surface. Therefore, in this case, the trench is formed with the desired width and depth of the p-type region.
The same applies when an n-type columnar region is formed in a p-type epitaxial layer formed on the main surface of a silicon single crystal wafer, and the trench is formed to have a desired width and depth of the n-type region. Is done.
In addition, the formation of a silicon epitaxial layer on the inner peripheral surface of the trench means that the side surface and the bottom inside the trench. surface That is, an epitaxial layer is formed on the part. Further, the polysilicon is formed so as to fill the inside of the trench in which the silicon epitaxial layer is formed.
[0010]
According to the first means, a trench is formed in the second conductivity type silicon single crystal wafer to form a columnar second conductivity type region, and the trench Side and bottom of the After the first conductivity type epitaxial layer is formed, the trench is filled with polysilicon doped with the first conductivity type impurity, thereby forming an epitaxial layer along the inner periphery of the trench. A columnar first conductivity type region completely filled with polysilicon, that is, a columnar first conductivity type region composed of the silicon epitaxial layer and the polysilicon can be formed.
For example, when the region around the trench is an n-type epitaxial layer, if the epitaxial layer formed on the inner periphery of the trench is p-type, a depletion layer can be formed in the boundary region between the periphery of the trench and the inner periphery of the trench. it can. If a plurality of such columnar conductive regions are formed in a silicon single crystal wafer, a silicon wafer that can be used for a power MOS can be manufactured.
Therefore, a columnar conductive type region without a cavity can be formed with fewer steps compared to the conventional method, so that labor and cost can be reduced compared to the conventional method, and the yield of the product is reduced. Can be suppressed.
[0011]
In the silicon wafer manufacturing method of the first means, after forming an epitaxial layer on the inner peripheral surface of the trench, an oxide film is formed on the inner surface of the region where the silicon epitaxial layer is formed. The inside of the formed region is made of polysilicon Polish the main surface of the silicon single crystal wafer after filling and forming the polysilicon, and bond the silicon single crystal substrate to the main surface of the polished silicon single crystal wafer May be. In the silicon wafer manufactured in this way, an oxide film is interposed between the silicon epitaxial layer and the polysilicon. Accordingly, it is possible to manufacture a silicon wafer having good insulation between the source and drain when used as a power MOS substrate.
[0012]
According to a second means of the present invention, in a silicon wafer in which columnar first conductivity type regions and second conductivity type regions are alternately formed, one of the first conductivity type region and the second conductivity type region is provided. Is From the main surface of the silicon single crystal wafer to the thickness direction A columnar region left by forming a trench, and the other is the trench Side and bottom of the And the polysilicon portion formed so as to fill the region surrounded by the silicon epitaxial layer, and the impurity amounts of the first conductivity type region and the second conductivity type region are equal. This is a silicon wafer.
[0013]
In the silicon wafer of the second means, polysilicon is formed so as to fill the region surrounded by the silicon epitaxial layer, and the inside of the columnar conductivity type region does not have a cavity, so it is used for a power MOS. This is suitable because the withstand pressure characteristics are good and the occurrence of cracks in the silicon wafer can be suppressed.
[0014]
In the silicon wafer of the second means, the polysilicon portion may be doped with the same type of impurity as either the n-type or p-type impurity doped in the silicon epitaxial layer. In the silicon wafer configured as described above, the charge balance can be controlled by the amount of impurities doped in the polysilicon portion. Therefore, since the amount of impurities can be controlled more easily, manufacturing costs can be reduced and productivity can be improved.
[0015]
In the silicon wafer of the second means, one of the first conductivity type region or the second conductivity type region is From the main surface of the silicon single crystal wafer to the thickness direction Consists of the columnar region left by forming the trench, the other is the trench Side and bottom of the And a polysilicon portion formed so as to fill a region surrounded by the silicon epitaxial layer, and the polysilicon portion in the region surrounded by the oxide film It may be composed of undoped polysilicon. Since the silicon wafer thus configured has an oxide film interposed between the silicon epitaxial layer and the polysilicon portion, the insulation between the source and the drain when used as a substrate for a power MOS is improved.
Furthermore, in the silicon wafer of the second means, the polysilicon portion in the region surrounded by the silicon epitaxial layer may be made of polysilicon not doped with impurities.
As described above, if the polysilicon portion is made of polysilicon that is not doped with impurities, it is preferable that a leakage current is prevented from being generated by applying a voltage when the silicon wafer is used as a power MOSFET. .
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[First reference Form)
Hereinafter, referring to FIG. reference As an example, the first reference A form is demonstrated. First reference The silicon wafer manufactured in the form is used for a power MOS, for example.
Book reference In the embodiment, a method for forming a p-type columnar conductivity type region in an n-type epitaxial layer of a silicon epitaxial wafer will be described.
[0017]
Book First reference form In this silicon wafer manufacturing method, an n-type silicon single crystal wafer (hereinafter referred to as wafer 1), which is obtained by slicing a silicon single crystal ingot and performing mirror finishing, is used. The
[0018]
An n-type
[0019]
Next, a trench T having a desired shape such as a width is formed in a thickness direction from a desired position (position where a columnar p-type region is formed) on the main surface of the n-
The planar shape of the trench T (the shape when the
[0020]
Silicon epitaxial growth is performed on the
The p-
[0021]
Here, if the p-
[0022]
In the wafer 1 (FIG. 1B) in which the
Polysilicon formed inside the trench T surrounded by the
[0023]
After the
Polishing is performed, for example, by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method.
[0024]
The n-
[0025]
Further, a silicon single crystal
In the bonding method, the
[0026]
The
[0027]
A
In the
[0028]
According to the method for manufacturing the
Therefore, since the
[0029]
Book The first reference form is the above description It is not limited to.
For example, by forming a p-type epitaxial layer on a wafer, forming a trench in the p-type layer, and then forming an n-type epitaxial layer inside the trench, a columnar p-type between the columnar n-type region and the trench is formed. An area may be formed.
[0030]
[No. 1 Embodiment of
Hereinafter, the first in the present invention. 1 Embodiments will be described. The manufacturing method of the silicon wafer in the present embodiment, First reference above Since the manufacturing method of the silicon wafer described in the embodiment is the same up to the step of forming the
[0031]
First 1 In this embodiment, when forming the
[0032]
Further, as the amount of impurities doped into the
In this way, after forming the p-
[0033]
In the
[0034]
[No. Reference of 2 Form)
First Reference of 2 In form, First reference above Since the manufacturing method of the silicon wafer described in the embodiment is the same up to the step of forming the
First Reference of 2 In the embodiment, after the
[0035]
After the formation of the
[0036]
Polysilicon has a large interface state, and an electron-hole pair is easily generated when an electric field is applied. Therefore, the inside of the
This first Reference of 2 In the
Therefore, the second Reference of 2 According to the embodiment, the power MOS substrate can be manufactured with fewer steps than before, and the
[0037]
Reference form above In this silicon wafer manufacturing method, depending on the desired characteristics of the power MOS substrate, whether or not polysilicon is doped with impurities, and an oxide film is formed between the epitaxial layer in the trench T and the polysilicon portion. A silicon wafer according to the purpose may be manufactured by appropriately selecting whether or not to provide the substrate.
[0038]
【The invention's effect】
According to the first means of the present invention, a trench is formed in the thickness direction from the main surface of the silicon single crystal wafer, and the trench Side and bottom of the After the epitaxial layer is formed on the polysilicon, polysilicon is formed so as to fill the inside of the trench, whereby a columnar conductive type region can be formed inside the silicon single crystal wafer.
Therefore, compared to the conventional method of epitaxial layer formation, photolithography, and ion implantation, the columnar conductive type region can be formed with fewer steps, so the cost can be reduced in the production of power MOS silicon wafers. In addition, a decrease in yield can be suppressed. Furthermore, by filling the inside of the trench with polysilicon, a columnar conductivity type region without a cavity can be formed.
[0039]
According to the second means, one of the first conductivity type region and the second conductivity type region formed in the silicon wafer has its side surface portion and bottom surface. surface A silicon epitaxial layer is formed on the part.
Since the polysilicon is formed so as to fill the region surrounded by the silicon epitaxial layer, the columnar conductivity type region does not have a cavity inside, so that the withstand voltage characteristic is good and the occurrence of cracks in the substrate is suppressed. Is preferable.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B show a manufacturing process of a power MOS silicon wafer according to a first embodiment, wherein FIG. 1A shows a trench formed in an n-type epitaxial layer, and FIG. 1B shows a trench in FIG. Side and bottom parts (C) is a state in which the inside of the trench in (b) is filled with polysilicon, (d) is a state in which the main surface of the silicon wafer in (c) is polished, (e) is a state in which the p-type epitaxial layer is formed in FIG. It is sectional drawing which shows a mode that the silicon single crystal thin plate was bonded together to the silicon wafer main surface of (d).
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a silicon wafer manufactured according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a silicon wafer manufactured in a second reference embodiment.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing how hole electron pairs are generated in the silicon wafer manufactured in the first embodiment.
5A is a cross-sectional view showing an example of a power MOS structure, and FIG. 5B is a cross-sectional view of a power MOS silicon wafer manufactured by a conventional method.
[Explanation of symbols]
1 Wafer (Silicon single crystal wafer)
2 n-type epitaxial layer
3 p-type epitaxial layer (silicon epitaxial layer)
4 Polysilicon part
41 Oxide film
5 Thin plate (silicon single crystal thin plate)
6 Columnar p-type region (first conductivity type region)
7 Columnar n-type region (second conductivity type region)
10, 11, 12 Silicon wafer
T trench
Claims (3)
前記シリコン単結晶ウェーハのトレンチの側面部と底面部とに第1導電型のシリコンエピタキシャル層を形成し、前記シリコンエピタキシャル層の形成されたトレンチ内部を第1導電型の不純物がドープされたポリシリコンで埋め該シリコンエピタキシャル層と該ポリシリコンとからなる柱状の第1導電型領域を形成する工程と、
を含み、前記柱状の第1導電型領域と前記第2導電型領域の不純物量が等しく形成されることを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。Forming a columnar second conductivity type region by forming a trench in the thickness direction from the main surface of the second conductivity type silicon single crystal wafer;
Polysilicon in which a first conductivity type silicon epitaxial layer is formed on the side and bottom portions of the trench of the silicon single crystal wafer, and the first conductivity type impurity is doped inside the trench in which the silicon epitaxial layer is formed. Forming a columnar first conductivity type region comprising the silicon epitaxial layer and the polysilicon,
And the columnar first conductivity type region and the second conductivity type region are formed to have the same amount of impurities.
前記研磨されたシリコン単結晶ウェーハの主表面に、シリコン単結晶薄板を貼り合わせる工程と、
をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のシリコンウェーハの製造方法。Polishing the main surface of the silicon single crystal wafer after the formation of the polysilicon;
Bonding the silicon single crystal thin plate to the main surface of the polished silicon single crystal wafer;
The method for producing a silicon wafer according to claim 1, further comprising:
前記第1導電型領域または前記第2導電型領域の一方は、シリコン単結晶ウェーハの主表面から厚さ方向にトレンチを形成することによって残された柱状の領域であり、
他方は、前記トレンチの側面部と底面部とに形成されたシリコンエピタキシャル層と、該シリコンエピタキシャル層に囲まれた領域を埋めるように形成されたポリシリコン部とからなり、
前記第1導電型領域と前記第2導電型領域の不純物量が等しいことを特徴とするシリコンウェーハ。In a silicon wafer in which columnar first conductivity type regions and second conductivity type regions are alternately formed inside,
One of the first conductivity type region or the second conductivity type region is a columnar region left by forming a trench in the thickness direction from the main surface of the silicon single crystal wafer ,
The other consists of a silicon epitaxial layer formed on the side surface and bottom surface of the trench, and a polysilicon portion formed so as to fill a region surrounded by the silicon epitaxial layer,
A silicon wafer, wherein the first conductivity type region and the second conductivity type region have the same amount of impurities.
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