JP4694846B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ドリフト層においてトレンチを形成し、そのトレンチを埋め戻すことによって、P型の半導体領域とN型の半導体領域とが交互に並んだスーパージャンクション構造等の構造を形成する半導体装置の製造方法に関する。
パワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)に代表される半導体装置において、素子耐圧の向上とオン抵抗の低下との間にはトレードオフの関係がある。高い素子耐圧と低オン抵抗とを実現した構造として、以下に説明するスーパージャンクション(超接合)構造がある。図18は、スーパージャンクション構造を有するパワーMOSFETの断面構造を示している。
高濃度のN型不純物を含むドレイン層201は基板を構成している。ドレイン層201の一方の主面上には、N型不純物を含むドリフト層202が形成されている。ドリフト層202の表面領域には、P型不純物の拡散によって、ベース拡散層203が形成されており、ベース拡散層203の表面領域には、高濃度のN型不純物の拡散によって、ソース領域204が形成されている。また、ドリフト層202の表面領域には、断面形状がほぼ矩形である複数のトレンチ205が形成されている。このトレンチ205の内面にはゲート絶縁膜206およびゲート電極207が形成されている。
また、ドリフト層202には、P型不純物を含むシリコン等によってトレンチ構造を埋め戻すことにより、複数のP型埋込層208が形成されている。P型埋込層208の上部には、高濃度のP型不純物の拡散によって、P型オーミック領域209が形成されている。ゲート電極207上には、PSG(Phospho Silicate Glass)等の絶縁物を含む層間絶縁膜210が形成されている。
ドリフト層202の表面に露出した各領域および層間絶縁膜210上にはソース電極211が形成されている。ソース領域204およびP型オーミック領域209はソース電極211と電気的に接続される。また、ドリフト層202が形成された主面と対向するドレイン層201の反対側の主面上にはドレイン電極212が形成されている。図18に示されるパワーMOSFETにおいては、ドリフト層202とP型埋込領域208とが、ドリフト層202の表面に沿って交互に繰り返されるスーパージャンクション構造が形成されている。
ソース電極211を接地し、ドレイン電極212に正電圧を印加し、ゲート電極207に所定値以上の正電圧を印加すると、ベース拡散層203において、ゲート絶縁膜206との境界近傍に反転層が形成される。この反転層を通って、ドレイン電極212からソース電極211へ向かって電流が流れる。その状態から、所定値よりも低い電圧をゲート電極207に印加すると、反転層は消滅し、電流は流れなくなる。
このとき、P型埋込層208とドリフト層202との間のPN接合が逆バイアスとなり、両者の接合から両者の内部へ向かって空乏層が伸びる。所定の条件を満たすことにより、P型埋込層208およびドリフト層202を完全に空乏化させ、高耐圧を実現することができる。これにより、ドリフト層202の不純物濃度を上げても、それに応じて、所定の条件を満たすようにP型埋込層208間のドリフト層202の幅を減少させれば、耐圧を低下させることなく、低オン抵抗を実現することができる。なお、特許文献1および特許文献2には、上記に準じたスーパージャンクション構造を有する半導体装置が記載されている。
特開2004−64051号公報 特開2003−115589号公報
スーパージャンクション構造を有する従来の半導体装置においては、ソース領域204およびP型埋込領域208を、写真工程によって選択的に形成していた。そのため、写真工程の際に生じる写真合わせ誤差等を考慮して、ソース領域204およびP型埋込領域208を形成するための広い幅のコンタクト領域が必要であった。このため、半導体装置を小型化することが困難であるという問題点があった。
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであって、半導体装置を小型化することができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、請求項1に記載の発明は、第1導電型の不純物を含む第1の半導体層に、第2導電型の不純物を含む第2の半導体層を選択的に形成する半導体装置の製造方法において、前記第1の半導体層上に第1の酸化膜を形成し、該第1の酸化膜を選択的にエッチングする第1の工程と、前記第1の酸化膜をマスクとして、前記第1の半導体層の表面を選択的にエッチングすることにより、複数の第1のトレンチを形成する第2の工程と、第2導電型の不純物を含む半導体によって、前記複数の第1のトレンチを埋め戻すことにより、前記第2の半導体層を形成する第3の工程と、前記第2の半導体層をエッチングする第4の工程と、前記第1の酸化膜をマスクとして、第2導電型の不純物を前記複数の第1のトレンチを埋め戻した前記第2の半導体層に注入および拡散することにより、前記第2の半導体層よりも不純物濃度の高いオーミック領域を前記第2の半導体層それぞれの表面に形成する第5の工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法である。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の半導体装置の製造方法において、前記第1の工程の前に、前記第1の半導体層の表面に、第2導電型の不純物を含む第1の拡散領域を形成する第6の工程を有し、前記第5の工程の後に、前記第2の半導体層の表面と、前記第1の拡散領域および前記第1の酸化膜の境界面との間に段差が設けられている状態で、前記第2の半導体層の表面に第2の酸化膜を堆積することにより、前記段差を埋め戻す第7の工程と、前記第1の酸化膜、前記第2の酸化膜および前記第1の半導体層を選択的にエッチングすることにより、第2のトレンチを形成する第8の工程と、前記第2のトレンチの内面にゲート絶縁膜およびゲート電極を形成する第9の工程と、前記第2の半導体層上の前記第2の酸化膜が残るように、前記第1の酸化膜および前記第2の酸化膜をエッチングして、前記第1の拡散領域を露出する第10の工程と、前記第2の酸化膜をマスクとして、第1導電型の不純物を前記第1の拡散領域に注入および拡散することにより、ソース領域である第2の拡散領域を形成する第11の工程と、を有することを特徴とする。
本発明によれば、半導体装置を小型化することができるという効果が得られる。
以下、図面を参照し、本発明を実施するための最良の形態について説明する。図1〜図17は、本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。本実施形態においては、MOSFETを例とする。図1〜図7はMOSFETの主要なトランジスタ領域の製造方法を示しており、図示された領域は、トランジスタ領域の構成単位である1セル分の領域である。したがって、トランジスタ領域には、図示された構造と同一の構造が複数形成されている。一方、図8〜図17は、耐圧向上を目的としてトランジスタ領域の周囲に形成される周辺領域の製造方法を示している。以下、図1〜図17を用いて、半導体装置の製造方法について説明する。
まず、N型不純物を含むシリコン等の半導体材料からなり、対向する2つの主面(主面300および301)を有する基板101の一方の主面300を高温の酸素雰囲気中で酸化し、酸化膜102を形成する(図1(a),図8(a))。酸化膜102は、CVD(Chemical Vapor Deposition)等によって半導体材料の酸化物を基板101上に堆積させることにより、形成してもよい。この酸化膜102上にレジスト131を塗布し、写真工程(露光および現像)を経て、レジスト131をパターニングする。レジスト131をマスクとし、反応性ガスによるドライエッチング、またはフッ酸を含む薬液によるウェットエッチングによって、酸化膜102をエッチングする(図1(b),図8(b))。
続いて、レジスト131を除去した後、露出した基板101の表面を高温の酸素雰囲気中で酸化し、薄い酸化膜103を形成する。酸化膜102をマスクとして、酸化膜103によって被覆された基板101の表面にB(ボロン)イオン等のP型不純物イオンを注入し、注入層104を形成する(図1(c),図8(c))。注入層104を形成した後、高温でアニールを行うと、注入層104内のP型不純物が基板101内に拡散し、ベース拡散層105が形成される。アニールの際には、酸化膜103が成長し、その膜厚が増加する(図1(d),図9(a))。
続いて、酸化膜102および103上にレジスト106を塗布し、写真工程を経て、レジスト106をパターニングする。このレジスト106をマスクとして、ドライエッチング等によって、酸化膜102および103をエッチングする(図2(a),図9(b))。レジスト106を除去した後、酸化膜102および103をマスクとして、ドライエッチングによってベース拡散層105および基板101をエッチングし、断面形状がほぼ矩形であるトレンチ107および132を形成する(図2(b),図9(c))。
トレンチ107および132を形成した際には、エッチング時に生じるダメージ層を除去することがより望ましい。例えば、まず、CDE(ケミカルドライエッチング)により、トレンチ107および132の内壁をエッチングする。この工程により、角張ったトレンチ107および132の底部に丸みをもたせ、半導体装置の動作時の電界集中を緩和させると共に、内壁を滑らかにさせて、トレンチ形成時に生じた損傷層の一部を除去する。続いて、高温の酸素と半導体材料とを反応させて半導体材料の酸化物を生成するドライO法(ドライ酸化)により、トレンチ107および132の側面および底面に犠牲酸化膜を形成する。フッ酸を含む薬液によってこの犠牲酸化膜をエッチングして除去し、トレンチ107および132の側面および底面を露出させると、ドライエッチング時にトレンチ107および132の内壁に発生した損傷層が除去される。
トレンチ107および132を形成した後、エピタキシャル成長法によって、P型不純物を含むシリコン等の半導体材料をトレンチ107および132の側面および底面に成長させ、P型埋込層108および133を形成する(図2(c),図10(a))。このとき、酸化膜102および103は残されたままの状態であり、トレンチ107および132以外の部分にはエピタキシャル成長しないようになっている。
続いて、酸化膜102および103をマスクとしたドライエッチング等によって、P型埋込層108および133をエッチングする(図3(a),図10(b))。このとき、エッチング後のP型埋込層108および133の表面の位置が、酸化膜103およびベース拡散層105の境界面の位置(あるいは、図1(a)における酸化膜103および基板101の境界面の位置)とベース拡散層105および基板101の境界面の位置との間(図3(a)のX)にあることが望ましい。
続いて、高温の酸素雰囲気中での酸化等によって、図示せぬ薄い酸化膜をP型埋込層108および133の表面に形成する。酸化膜102および103をマスクとして、P型埋込層108および133の表面にBイオン等のP型不純物イオンを注入し、高温でアニールを行うと、P型不純物がP型埋込層108および133内に拡散し、P型オーミック領域109および134が形成される。このとき、P型不純物の一部がベース拡散層105内にも拡散するので、P型オーミック領域109および134は、ベース拡散層105にも形成される(図3(b),図10(c))。このように、P型埋込層108および133によって埋め戻されるトレンチ107および132を形成するためのエッチング時のマスクとなる酸化膜102および103を再度マスクとして用いて、P型埋込層108および133にP型不純物を注入することにより、P型オーミック領域109および134を自己整合的に形成することができる。
続いて、CVD等によって、不純物を含まない酸化膜110を形成する。このとき、酸化膜102および103の開口部を埋めると共に、段差がなくなる程度の厚さとなるように酸化膜110を形成する(図3(c),図11(a))。この酸化膜110上にレジスト123を塗布し、写真工程を経て、レジスト123をパターニングする。このレジスト123をマスクとして、ドライエッチング等によって酸化膜110および103をエッチングし、ベース拡散層105の表面を露出させる(図4(a),図11(b))。
続いて、レジスト123を除去し、酸化膜110をマスクとしたドライエッチング等によって、ベース拡散層105および基板101をエッチングし、トレンチ111を形成する(図4(b),図12(a))。トレンチ111を形成した際にも、前述したようなダメージ層の除去を行うことがより望ましい。トレンチ111を形成した後、高温の酸素雰囲気中での熱酸化等によって、ゲート絶縁膜112を形成し、トレンチ111の内面をゲート絶縁膜112で被覆する(図4(c),図12(b))。
続いて、CVDによって、トレンチ111を埋めるように、ゲート電極材料のポリシリコンを堆積し、ポリシリコン層113を形成する(図5(a),図13(a))。このポリシリコン層113上にレジスト135を塗布し、写真工程を経て、レジスト135をパターニングする。このレジスト135をマスクとして、ドライエッチング等によってポリシリコン層113をエッチングすることにより、ゲート絶縁膜112の一部を露出させ、ゲート電極114を形成する(図5(b),図13(b))。
続いて、酸化膜110上にレジスト136を塗布し、写真工程を経て、レジスト136をパターニングする。このレジスト136をマスクとして、ドライエッチング等によって酸化膜110をエッチングし、トランジスタ領域のベース拡散層105の表面を露出させる。このとき、トランジスタ領域においては、P型埋込層108の表面に形成されたP型オーミック領域109上の酸化膜110が残るように、エッチングを停止する。また、周辺領域においては、レジスト136によって酸化膜110を被覆し、酸化膜110が残るようにする(図5(c),図14(a))。
続いて、レジスト136を除去し、高温の酸素雰囲気中での酸化等によって、ベース拡散層105およびポリシリコン層113の表面に薄い酸化膜115を形成すると共に、ポリシリコン膜113の表面に薄い酸化膜137を形成する。酸化膜110をマスクとして、ベース拡散層105およびポリシリコン層113の表面にP(リン)あるいはAs(ヒ素)イオン等のN型不純物イオンを注入し、高温でアニールを行うと、N型不純物がベース拡散層105内に拡散し、ソース領域116が形成される。また、N型不純物はゲート電極114および酸化膜110上のポリシリコン膜113にも注入され、ゲート電極114およびポリシリコン膜113が低抵抗化する(図6(a),図14(b))。
N型不純物の注入量は、ベース拡散層105中のP型不純物を打ち消して、ソース領域116を高濃度のN型拡散層として機能させるのに十分な量であり、通常、ソース領域116のN型不純物濃度の桁数はベース拡散層105中のP型不純物濃度の桁数よりも1桁以上多い。このように、ポリシリコン膜113のエッチング時のマスクとなる酸化膜110を再度マスクとして用いて、ベース拡散層105にN型不純物を注入することにより、ソース領域116を自己整合的に形成することができる。図3(a)のように、ベース拡散層105および酸化膜103の境界面とP型埋込層108の表面との間に段差ができるようにP型埋込層108をエッチングし、図5(c)のように、この段差に酸化膜110を残して、N型不純物の注入時のマスクとしたことによって、ソース領域116の自己整合的な形成が可能となったのである。
続いて、CVDによって、酸化膜110上のポリシリコン膜113を被覆する程度に、酸化膜110および115上に酸化膜117を形成する(図6(b),図15(a))。この酸化膜117上にレジスト118を塗布し、写真工程を経て、レジスト118をパターニングする。このレジスト118をマスクとして、ドライエッチング等によって酸化膜117および115をエッチングする。これにより、トランジスタ領域においては、P型オーミック領域109の表面およびソース領域116の一部の表面を露出させる。また、周辺領域においては、トランジスタ領域に最も近いP型オーミック領域134の表面およびポリシリコン層113の表面を露出させる(図6(c),図15(b))。
続いて、露出している表面上にスパッタリング等によってAl−Siを堆積し、金属膜119によって半導体装置の上面を被覆する(図7(a),図16(a))。この金属膜119上にレジスト120を塗布し、写真工程を経て、レジスト120をパターニングする。このレジスト120をマスクとして、ドライエッチング等によって金属膜119をエッチングする。これにより、ソース電極121が形成されると共に、ポリシリコン膜113と電気的に接続し、図示せぬゲートパッドとゲート電極114とを接続するためのゲートフィンガー138が形成される(図7(b),図16(b))。ソース電極121はP型オーミック領域109、P型オーミック領域134、およびソース領域116とオーミック接合を形成している。
続いて、レジスト120を除去し、基板101において、トランジスタ構造が形成された主面300とは反対側の主面301上に、Ti(チタン),Ni(ニッケル),Ag(銀)をこの順に堆積することによって、ドレイン電極122を形成する(図7(c),図17)。ドレイン電極122は基板101とオーミック接合を形成している。
ソース電極121を接地し、ドレイン電極122に正電圧を印加し、ゲート電極114に所定値以上の正電圧を印加すると、ベース拡散層105において、ゲート絶縁膜112との境界近傍に反転層が形成される。この反転層を通って、ドレイン電極122からソース電極121へ向かって電流が流れる。その状態から、所定値よりも低い電圧をゲート電極114に印加すると、反転層は消滅し、電流は流れなくなる。すると、ベース拡散層105と基板101との間に形成されているPN接合は逆バイアスされ、ベース拡散層105から深さ方向(ドレイン電極122へ向かう方向)および横方向(周辺領域へ向かう方向)へ向かって、空乏層が広がる。
周辺領域に形成されているP型埋込層133は、いわゆるガードリングとしての機能を果たす。トランジスタ領域から伸びた空乏層が、最もトランジスタ領域に近いP型埋込層133に達すると、そのP型埋込層133の電位が安定し、そのP型埋込層133からも空乏層が広がり始める。空乏層が、隣接するP型埋込層133に達すると、そのP型埋込層133からも空乏層が広がり始める。このように、トランジスタ領域から横方向に伸びた空乏層がより一層、周辺領域の外側へ向かって広がる。これによって、半導体装置の耐圧が向上する。
上述したように、本実施形態によれば、P型オーミック領域109およびソース領域116を自己整合的に形成するようにしたので、P型オーミック領域109およびソース領域116を形成するためのコンタクト領域の幅を縮小し、トランジスタ領域を微細化することができる。したがって、半導体装置を小型化することができる。また、微細化に伴って、オン抵抗を低減することもできる。なお、P型オーミック領域109およびソース領域116のうち一方のみを自己整合的に形成し、他方を、従来のような写真合わせを含む工程によって形成してもよい。一方のみを自己整合的に形成しても、両方を従来の手法によって形成する場合よりも写真合わせ誤差が小さくなり、コンタクト領域の幅を縮小することができる。
以上、図面を参照して本発明の実施形態について詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、本製造方法は、MOSFET以外にも、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor;絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)、バイポーラトランジスタ、およびダイオード等の半導体装置の製造に適用してもよい。
本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 同実施形態による半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 同実施形態による半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 同実施形態による半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 同実施形態による半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 同実施形態による半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 同実施形態による半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 同実施形態による半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 同実施形態による半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 同実施形態による半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 同実施形態による半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 同実施形態による半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 同実施形態による半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 同実施形態による半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 同実施形態による半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 同実施形態による半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 同実施形態による半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 従来の半導体装置の断面構造を示す断面図である。
符号の説明
101・・・基板、102,103,110,115,117,137・・・酸化膜、104・・・注入層、105,203・・・ベース拡散層、106,118,120,123,131,135,136・・・レジスト、107,111,132,205・・・トレンチ、108,133,208・・・P型埋込層、109,134,209・・・P型オーミック領域、112,206・・・ゲート絶縁膜、113・・・ポリシリコン層、114,207・・・ゲート電極、116,204・・・ソース領域、119・・・金属膜、121,211・・・ソース電極、122,212・・・ドレイン電極、138・・・ゲートフィンガー、201・・・ドレイン層、202・・・ドリフト層、210・・・層間絶縁膜、300,301・・・主面。

Claims (2)

  1. 第1導電型の不純物を含む第1の半導体層に、第2導電型の不純物を含む第2の半導体層を選択的に形成する半導体装置の製造方法において、
    前記第1の半導体層上に第1の酸化膜を形成し、該第1の酸化膜を選択的にエッチングする第1の工程と、
    前記第1の酸化膜をマスクとして、前記第1の半導体層の表面を選択的にエッチングすることにより、複数の第1のトレンチを形成する第2の工程と、
    第2導電型の不純物を含む半導体によって、前記複数の第1のトレンチを埋め戻すことにより、前記第2の半導体層を形成する第3の工程と、
    前記第2の半導体層をエッチングする第4の工程と、
    前記第1の酸化膜をマスクとして、第2導電型の不純物を前記複数の第1のトレンチを埋め戻した前記第2の半導体層に注入および拡散することにより、前記第2の半導体層よりも不純物濃度の高いオーミック領域を前記第2の半導体層それぞれの表面に形成する第5の工程と、
    を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記第1の工程の前に、前記第1の半導体層の表面に、第2導電型の不純物を含む第1の拡散領域を形成する第6の工程を有し、
    前記第5の工程の後に、
    前記第2の半導体層の表面と、前記第1の拡散領域および前記第1の酸化膜の境界面との間に段差が設けられている状態で、前記第2の半導体層の表面に第2の酸化膜を堆積することにより、前記段差を埋め戻す第7の工程と、
    前記第1の酸化膜、前記第2の酸化膜および前記第1の半導体層を選択的にエッチングすることにより、第2のトレンチを形成する第8の工程と、
    前記第2のトレンチの内面にゲート絶縁膜およびゲート電極を形成する第9の工程と、
    前記第2の半導体層上の前記第2の酸化膜が残るように、前記第1の酸化膜および前記第2の酸化膜をエッチングして、前記第1の拡散領域を露出する第10の工程と、
    前記第2の酸化膜をマスクとして、第1導電型の不純物を前記第1の拡散領域に注入および拡散することにより、ソース領域である第2の拡散領域を形成する第11の工程と、
    を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
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