JP5446297B2

JP5446297B2 - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP5446297B2
Application number: JP2009025689A
Authority: JP
Inventors: 周平大木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-02-06
Filing date: 2009-02-06
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2029-02-06
Also published as: JP2010182912A

Description

本発明は、トレンチ内の下部に絶縁層が形成されており、絶縁層の上部のトレンチ内に電極が形成されており、電極と接する範囲のトレンチの壁面に絶縁膜が形成されている構造を有する半導体装置の製造方法に関する。

特許文献１に開示されているように、トレンチ内の下部に絶縁層が形成されており、絶縁層の上部のトレンチ内に電極が形成されており、電極と接する範囲のトレンチの壁面に絶縁膜が形成されている構造を有する半導体装置が知られている。この種のトレンチ構造は、一般的には以下のようにして形成される。すなわち、最初に、シリコン基板にトレンチを形成する。次に、トレンチ内に絶縁体を充填する。次に、絶縁体をエッチングして、トレンチ内の下部にのみ絶縁体を残存させる。これによって、図１４に示すように、トレンチ内の下部に絶縁層１００を形成する。次に、熱酸化法等によってシリコン基板の表面を酸化させる。これによって、図１５に示すように、シリコン基板の表面に酸化シリコンからなる絶縁膜１０２を形成する。このとき、トレンチの壁面にも絶縁膜１０２が形成される。絶縁膜１０２を形成したら、図１６に示すように、トレンチ内（絶縁層１００の上部）に導体を充填して電極１０４を形成する。これによって、トレンチ構造が完成する。

特開２００５−１１６８２２号

上述した方法によりトレンチ構造を形成すると、以下の問題が生じる。すなわち、図１４に示すように、絶縁膜１０２の形成前においては、絶縁層１００の上面がトレンチの壁面に対して略垂直となっている。このため、絶縁膜１０２を形成する際に、絶縁層１００の上面とトレンチの壁面の境界部１００ａに酸化ガスが到達し難い。また、絶縁膜１０２が成長する際には体積膨張が生じるが、境界部１００ａでは、トレンチの壁面と絶縁層１００の上面が略垂直であるため、成長する絶縁膜１０２と絶縁層１００との間で応力が生じ、絶縁膜１０２の体積膨張が抑制される。したがって、図１５に示すように、境界部１００ａ近傍では絶縁膜１０２が薄くなる。このようなトレンチの内部に導体を充填して電極１０４を形成するため、図１６に示すように、電極１０４の下端に角部１０４ａが形成される。電極１０４に角部１０４ａが形成されると、その角部１０４ａ近傍に電界が集中し易くなる。このように、従来の方法によって形成されたトレンチ構造は、電界が集中し易い角部１０４ａの近傍で絶縁膜１０２が最も薄くなるため、耐圧が非常に低いという問題があった。

本発明は、上述した実情に鑑みて創作されたものであり、耐圧が高いトレンチ構造を有する半導体装置を製造する方法を提供することを目的とする。

本発明の半導体装置の製造方法では、トレンチ内の下部に絶縁層が形成されており、絶縁層の上部のトレンチ内に電極が形成されており、電極と接する範囲のトレンチの壁面に絶縁膜が形成されている構造を有する半導体装置を製造する。この製造方法は、トレンチ形成工程と、絶縁層形成工程と、溝形成工程と、絶縁層エッチング工程と、絶縁膜形成工程と、電極形成工程を有している。トレンチ形成工程では、シリコン基板の表面にトレンチを形成する。絶縁層形成工程では、トレンチ内に酸化シリコンを充填して絶縁層を形成する。溝形成工程では、トレンチ内の絶縁層に、トレンチに沿って伸び、トレンチより幅が狭く、トレンチより浅い溝を形成する。絶縁層エッチング工程では、前記溝の内面から絶縁層を等方性エッチングすることによって、前記溝の側方の絶縁層を除去するとともに、トレンチ内の下部に上面が凹状の曲面形状である絶縁層を残存させる。絶縁膜形成工程では、トレンチの壁面を酸化させてその壁面に絶縁膜を形成する。電極形成工程では、絶縁層の上部のトレンチ内に導体を充填して電極を形成する。

この製造方法では、トレンチ内に絶縁層を形成した後に、その絶縁層に溝を形成する。溝は、トレンチに沿って伸び、トレンチより幅が狭く、トレンチより浅く形成する。したがって、溝の側方と下方には絶縁層が残存する。次に、溝の内面から絶縁層を等方性エッチングする。これにより、溝の側方の絶縁層を除去する。また、溝の下方の絶縁層は、溝の底面から等方的にエッチングされて、その絶縁層の上面が凹状の曲面形状に形成される。すなわち、トレンチ内の下部に、上面が凹状の曲面形状に形成された絶縁層が残存する。このため、絶縁層の上面とトレンチの壁面との境界部近傍においては、絶縁層が薄く分布する。次に、トレンチの壁面を酸化させて絶縁膜を形成する。このとき、前記境界部近傍では絶縁層が薄く分布しているので、絶縁膜の成長が阻害され難い。また、絶縁層の上面が凹状の曲面形状であるので、酸化ガスが前記境界部まで容易に到達することができる。したがって、前記境界部でも絶縁膜が厚く成長する。また、前記境界部の絶縁層が薄い部分では、その薄い絶縁層に覆われている範囲のトレンチの壁面にも酸化ガスが到達することができ、その薄い絶縁層の厚さが増加する。このため、絶縁膜の成長後に、前記境界部近傍に十分な厚さを有する絶縁体（絶縁層と絶縁膜）が形成される。また、絶縁膜形成前の絶縁層の上面が凹状の曲面形状に形成されているので、絶縁膜形成後においても絶縁層の上面は凹状の曲面形状となる。絶縁膜を形成したら、絶縁層の上部のトレンチ内に導体を充填して電極を形成する。上記の通り、絶縁層の上面が凹状の曲面形状であるので、電極の下端の形状は凸状の曲面形状となる。すなわち、電極の下端に角部が形成されない。これによって、電極の下端に角部が形成されておらず、かつ、電極の下端の近傍に十分な厚さを有する絶縁体（絶縁層と絶縁膜）が形成されているトレンチ構造が完成する。したがって、このトレンチ構造は、電極の下端に電界が集中し難く、かつ、電極の下端近傍の絶縁耐圧が高い。この製造方法によれば、耐圧が高い半導体装置を製造することができる。

ＭＯＳＦＥＴ１０の部分断面図。マスク層６０形成後のシリコンウエハ５０の部分断面図。トレンチ形成工程後のシリコンウエハ５０の部分断面図。保護酸化膜形成工程後のシリコンウエハ５０の部分断面図。フローティング領域形成工程後のシリコンウエハ５０の部分断面図。酸化膜形成工程後のシリコンウエハ５０の部分断面図。酸化シリコン層形成工程後のシリコンウエハ５０の部分断面図。マスク層６６形成後のシリコンウエハ５０の部分断面図。溝形成工程後のシリコンウエハ５０の部分断面図。酸化シリコンウェットエッチング工程後のシリコンウエハ５０の部分断面図。ゲート絶縁膜形成工程後のシリコンウエハ５０の部分断面図。ポリシリコン層２６形成後のシリコンウエハ５０の部分断面図。ゲート電極形成工程後のシリコンウエハ５０の部分断面図。従来のトレンチ構造の形成方法における、絶縁層１００形成後のシリコン基板の部分断面図。従来のトレンチ構造の形成方法における、絶縁膜１０２形成後のシリコン基板の部分断面図。従来のトレンチ構造の形成方法における、電極１０４形成後のシリコン基板の部分断面図。

実施例に係る半導体装置の製造方法について説明する。実施例の製造方法では、図１の部分断面図に示すＭＯＳＦＥＴ１０を製造する。

図１に示すように、ＭＯＳＦＥＴ１０は、半導体基板１２と、半導体基板１２の上面及び下面に形成されている電極、絶縁膜等によって形成されている。半導体基板１２中には、Ｎ型のソース領域１４、Ｐ型のボディ領域１６、Ｎ⁻型のドリフト領域１８、及び、Ｎ^＋型のドレイン領域２０が形成されている。半導体基板１２には、その上面から、ソース領域１４とボディ領域１６を貫通してドリフト領域１８に達するトレンチ３０が形成されている。トレンチ３０の下端近傍のドリフト領域１８内には、Ｐ型のフローティング領域２１が形成されている。トレンチ３０内の下部には、酸化シリコン層２２が形成されている。トレンチ３０の上部の壁面には、酸化シリコンからなるゲート絶縁膜２４が形成されている。トレンチ３０内の上部には、ポリシリコンからなるゲート電極２６が形成されている。ゲート電極２６の上部は、キャップ絶縁膜３２に覆われている。半導体基板１２の上面には、ソース電極３４が形成されている。半導体基板１２の下面には、ドレイン電極３６が形成されている。

このＭＯＳＦＥＴ１０では、フローティング領域２１によって、ＭＯＳＦＥＴ１０のオフ時にボディ領域１６とドリフト領域１８の界面に電界が集中することが抑制されている。また、ゲート電極２６の下端が曲面形状に形成されており、その下端に角部が形成されていない。したがって、ＭＯＳＦＥＴ１０のオフ時にゲート電極２６の下端近傍に電界が集中することが抑制されている。これによって、ＭＯＳＦＥＴ１０の耐圧が向上されている。

ＭＯＳＦＥＴ１０の製造方法について説明する。なお、本実施例の製造方法は、トレンチゲート構造を形成する工程に特徴を有しているので、その他の工程については詳細な説明を省略する。
ＭＯＳＦＥＴ１０は、ドリフト領域１８と略同じＮ型不純物濃度を有するシリコンウエハ（以下、シリコンウエハ５０という）から製造される。最初に、シリコンウエハ５０の上面側に拡散層（ソース領域１４、ボディ領域１６）を形成する。その後、トレンチ形成工程を実施する。

（トレンチ形成工程）
トレンチ形成工程では、最初に、図２に示すように、シリコンウエハ５０の上面５０ａにマスク層６０を形成する。マスク層６０は、トレンチ３０に対応する範囲に開口を設けた形状に形成する。その後、上面５０ａ側からＲＩＥ法によってシリコンウエハ５０をエッチングする。これによって、図３に示すように、シリコンウエハ５０の上面５０ａにトレンチ３０を形成する。トレンチ形成工程では、深さが２．３〜３．０μｍであり、幅が約０．４〜０．５μｍであり、壁面のテーパ角度が８６．５度〜８９．０度であるトレンチ３０を形成する。

（保護酸化膜形成工程）
トレンチ形成工程が終了したら、シリコンウエハ５０を熱酸化処理する。これによって、図４に示すように、トレンチ３０の内面に保護酸化膜６２を形成する。この熱酸化処理は、酸化温度を８００℃〜１１００℃とし、酸化ガスとしてＯ_２、Ｈ_２Ｏ、または、Ｎ_２希釈Ｈ_２Ｏ等を用いて実施する。ここでは、膜厚が約２０ｎｍの保護酸化膜６２を形成する。

（フローティング領域形成工程）
保護酸化膜形成工程が終了したら、シリコンウエハ５０の上面５０ａに向けてボロンイオンを注入する。イオン注入は、加速電圧を約２０ｋｅＶとし、ドーズ量を約１×１０^１３／ｃｍ^２として実施する。トレンチ３０の底面では、トレンチ３０の底面とイオン注入方向が略垂直であるので、イオンは保護酸化膜６２を貫通してシリコンウエハ５０に注入される。一方、トレンチ３０の側面では、トレンチ３０の側面とイオン注入方向が略平行であるので、イオンは保護酸化膜６２内で停止する。また、シリコンウエハ５０の上面５０ａのうちのトレンチ３０を除く領域はマスク層６０に覆われているので、その領域ではイオンはマスク層６０内で停止する。したがって、トレンチ３０の底面近傍でのみ、シリコンウエハ５０にイオンが注入される。イオン注入後に、シリコンウエハ５０を熱処理することによって、注入したボロンイオンを活性化させる。これによって、図５に示すように、トレンチ３０の下端近傍にフローティング領域２１を形成する。フローティング領域２１を形成したら、エッチングによりマスク層６０と保護酸化膜６２を除去する。

（酸化膜形成工程）
フローティング領域形成工程が終了したら、シリコンウエハ５０を熱酸化処理する。これによって、図６に示すように、シリコンウエハ５０の上面５０ａとトレンチ３０の内面に酸化膜６４を形成する。この熱酸化処理は、酸化温度を８００〜１１００℃とし、酸化ガスとしてＯ_２、Ｈ_２／Ｏ_２混合ガス、または、Ｎ_２希釈したＨ_２／Ｏ_２混合ガス等を用いて実施する。これにより、膜厚が約２０〜１００ｎｍの酸化膜６４を形成する。

（酸化シリコン層形成工程）
酸化膜形成工程が終了したら、ＣＶＤ法によって、シリコンウエハ５０上に酸化シリコンを堆積させる。ＣＶＤ法としては、成膜温度を７５０〜８２５℃とし、成膜ガスとしてＳｉＨ_４とＮ_２Ｏを用いるＬＰＣＶＤ法、成膜温度を６００〜７００℃とし、成膜ガスとしてＴＥＯＳとＯ_２を用いるＬＰＣＶＤ法、または、成膜温度を４００〜５００℃とし、成膜ガスとしてＴＥＯＳとＯ_２（またはＯ_３）を用いるＡＰＣＶＤ法等を用いることができる。酸化シリコンは、３００〜７００ｎｍ堆積させる。ＣＶＤ法によれば、トレンチ３０の内面にも酸化シリコンを堆積させることができる。これによって、図７に示すように、シリコンウエハ５０上とトレンチ３０内に酸化シリコン層６５を形成する。ＣＶＤ法は埋め込み性が高いので、トレンチ３０内に隙間無く酸化シリコン層６５が充填される。以下では、酸化シリコン層６５と酸化膜６４を合わせて酸化シリコン層２２として図示する。

（溝形成工程）
酸化シリコン層形成工程が終了したら、図８に示すように、シリコンウエハ５０上にマスク層６６を形成する。マスク層６６は、トレンチ３０の幅方向中央部に沿って開口６６ａを設けた形状に形成する。開口６６ａの幅はトレンチ３０の幅よりも狭くする。
次に、ＲＩＥ法によって、シリコンウエハ５０の上面５０ａ側から酸化シリコン層をエッチングする。エッチングガスには、Ｃ_４Ｆ_８とＯ_２の混合ガス、または、ＣＦ_４とＯ_２の混合ガス等を用いる。これによって、図９に示すように、トレンチ３０内の酸化シリコン層２２に溝７２を形成する。ここでは、溝７２がトレンチ３０より浅くなるようにエッチングを行う。より具体的には、溝７２を深さ約１．２μｍとして、溝７２の下端の位置とボディ領域１６の下端の位置を略等しくする。上述したように、マスク層６６の開口６６ａの幅がトレンチ３０の幅より狭いので、溝７２の幅もトレンチ３０の幅より狭くなる。このため、溝７２の両側方に酸化シリコン層２２が残存する。また、溝７２はトレンチ３０より浅いので、溝７２の下方にも酸化シリコン層２２が残存する。なお、溝７２の側方の酸化シリコン層２２の厚さ（図９の左右方向の厚さ）は、溝７２の下方の酸化シリコン層２２の厚さ（図９の上下方向の厚さ）より遥かに薄い。溝７２を形成したら、マスク層６６をエッチングにより除去する。

（酸化シリコンウェットエッチング工程）
溝形成工程が終了したら、酸化シリコン層２２をウェットエッチング（等方性エッチング）する。エッチング液には、希フッ酸やバッファードフッ酸を用いる。ここでは、図１０に示すように、トレンチ３０内の下部にのみ酸化シリコン層２２が残存するように、エッチングを行う。すなわち、シリコンウエハ５０の上面５０ａ上の酸化シリコン層２２はその上面側からエッチングされて除去される。また、トレンチ３０内の酸化シリコン層２２は、溝７２の内面からエッチングされる。溝７２の側方の酸化シリコン層２２は、溝７２の側面からエッチングされて除去される。一方、溝７２の下方の酸化シリコン層２２は、溝７２の底面からエッチングされる。ウェットエッチングが等方性エッチングであるので、溝７２の下方の酸化シリコン層２２は、溝７２の底面を起点として同心状にエッチングされる。したがって、図１０に示すように、トレンチ３０内の下部に残存する酸化シリコン層２２の上面は凹状の曲面形状となる。酸化シリコン層２２の上面が凹状の曲面形状となるので、酸化シリコン層２２の上面には、トレンチ３０の壁面に沿って、上方に突出する突出部２２ａが形成される。

（ゲート絶縁膜形成工程）
酸化シリコンウェットエッチング工程が終了したら、シリコンウエハ５０を熱酸化処理する。これによって、図１１に示すように、シリコンウエハ５０の上面５０ａ上とトレンチ３０の壁面に酸化膜２４を形成する。この熱酸化処理では、酸化温度を約８００〜１１００℃とし、酸化ガスとしてＯ_２、Ｈ２／Ｏ２混合ガス、または、Ｎ２希釈したＨ２／Ｏ２混合ガス等を用いる。ここでは、５０〜１００ｎｍの酸化膜を形成する。トレンチ３０の壁面に形成された酸化膜２４が、図１のゲート絶縁膜２４となる。
ゲート絶縁膜形成工程では、酸化シリコン層２２の上面が凹状の曲面形状となっているので、トレンチ３０内全体に酸化ガスが行き渡り易い。また、酸化シリコン層２２の上面とトレンチ３０の壁面との境界部において、酸化シリコン層２２（突出部２２ａ）の厚さが薄くなっているため、その境界部で生じる応力は極めて小さく、その境界部近傍においてゲート絶縁膜２４が成長することが抑制されることがない。したがって、トレンチ３０の壁面全体にゲート絶縁膜２４が成長する。また、突出部２２ａは厚さが薄いので、酸化ガスは突出部２２ａを通過して、突出部２２ａに覆われているトレンチ３０の壁面にも到達する。このため、突出部２２ａにおいても酸化シリコンが成長し、突出部２２ａの厚さが増す。したがって、図１１に示すように、トレンチ３０の内面全体に十分な厚さを有する絶縁膜が形成される。すなわち、トレンチ３０の内面の絶縁膜が局所的に薄くなることが防止される。また、このようにゲート絶縁膜２４を形成することで、酸化シリコン層２２の幅方向中央部（酸化シリコン層形成工程におけるＣＶＤ層の張り合わせ面）のシームを解消することもできる。
なお、ゲート絶縁膜２４は、ＣＶＤ法によって形成してもよい。この場合には、成膜温度を７５０〜８２５℃とし、成膜ガスとしてＳｉＨ_４とＮ_２Ｏを用いるＬＰＣＶＤ法、または、成膜温度を６００〜７００℃とし、成膜ガスとしてＴＥＯＳとＯ_２を用いるＬＰＣＶＤ法等を用いることができる。

（ゲート電極形成工程）
ゲート絶縁膜形成工程が終了したら、ＣＶＤ法によって、シリコンウエハ５０上にＰドープポリシリコンを堆積させる。これによって、図１２に示すように、ポリシリコン層２６を形成する。このＣＶＤ法は、成膜温度を５８０〜６４０℃とし、成膜ガスとしてＳｉＨ_４等を用いて実施する。ここでは、厚さが約８００ｎｍのポリシリコン層２６を形成する。ＣＶＤ法を実施すると、トレンチ３０の内面にもポリシリコンが堆積し、図１２に示すようにトレンチ３０内がポリシリコン層２６で充填される。
ポリシリコン層２６を形成したら、シリコンウエハ５０の上面５０ａ側からポリシリコン層２６をエッチングする。これによって、図１３に示すように、トレンチ３０内にポリシリコン層２６を残存させ、シリコンウエハ５０上のポリシリコン層２６を除去する。残存したポリシリコン層２６がゲート電極２６となる。
ゲート電極２６を形成したら、エッチングによって、シリコンウエハ５０の上面５０ａ上の酸化膜２４を除去する。その後、熱酸化処理によって、キャップ絶縁膜３２を形成する。これによって、トレンチゲート構造が完成する。

トレンチゲート構造を形成したら、シリコンウエハ５０の下面５０ｂ側に拡散層（ドレイン層）を形成する。また、その他の必要な構造（電極、絶縁膜等）を形成する。その後、シリコンウエハ５０をダイシングにより分割する。これによって、図１に示すＭＯＳＦＥＴ１０が製造される。

図１に示すように、この製造方法によって製造されたＭＯＳＦＥＴ１０では、ゲート電極２６の下端が曲面状に形成される。すなわち、ゲート電極２６の下端に角部が形成されない。したがって、ゲート電極２６の下端近傍に電界が集中し難い。また、ゲート電極２６の下端の側方には酸化シリコン層２２の突出部２２ａが存在しており、絶縁膜が薄い箇所が存在しない。したがって、ゲート電極２６の下端近傍の絶縁層の絶縁耐圧が高い。このように、ゲート電極２６の下端近傍の電界集中が抑制されるとともに、その近傍の絶縁層の絶縁耐圧が確保されていることから、ＭＯＳＦＥＴ１０はゲート電極２６の下端近傍で絶縁破壊し難い。ＭＯＳＦＥＴ１０は耐圧が高い。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：ＭＯＳＦＥＴ
１２：半導体基板
１４：ソース領域
１６：ボディ領域
１８：ドリフト領域
２０：ドレイン領域
２１：フローティング領域
２２：酸化シリコン層
２２ａ：突出部
２４：ゲート絶縁膜
２６：ゲート電極
３０：トレンチ
３２：キャップ絶縁膜
３４：ソース電極
３６：ドレイン電極
５０：シリコンウエハ
６０：マスク層
６２：保護酸化膜
６４：酸化膜
６５：酸化シリコン層
６６：マスク層
７２：溝

Claims

トレンチ内の下部に絶縁層が形成されており、絶縁層の上部のトレンチ内に電極が形成されており、電極と接する範囲のトレンチの壁面に絶縁膜が形成されている構造を有する半導体装置の製造方法であって、
シリコン基板の表面にトレンチを形成するトレンチ形成工程と、
トレンチ内に酸化シリコンを充填して絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、
トレンチ内の絶縁層に、トレンチに沿って伸び、トレンチより幅が狭く、トレンチより浅い溝を形成する溝形成工程と、
前記溝の内面から絶縁層を等方性エッチングすることによって、前記溝の側方の絶縁層を除去するとともに、トレンチ内の下部に上面が凹状の曲面形状である絶縁層を残存させる絶縁層エッチング工程と、
トレンチの壁面を酸化させてその壁面に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
絶縁層の上部のトレンチ内に導体を充填して電極を形成する電極形成工程、
を有している半導体装置の製造方法。