JP5494217B2 - トレンチ分離型逆阻止mos型半導体装置の製造方法 - Google Patents

トレンチ分離型逆阻止mos型半導体装置の製造方法 Download PDF

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本発明は、電力変換装置などに使用されるトレンチ分離型逆阻止MOS型半導体装置の製造方法に関する。さらに詳しくは双方向の耐圧特性を有する双方向デバイスまたは逆阻止デバイスにおけるトレンチ分離構造の形成プロセスに関し、良好なデバイス特性、高い長期信頼性を持つRB(Reverse blocking、逆阻止)−IGBTを、低コスト、短いリードタイム、高い良品率で製造する方法に関する。
縦型の逆阻止IGBTを製造する方法の1つとして、チップ外周部内側に形成した深いトレンチにポリシリコン、絶縁物などを埋め込んだトレンチ分離構造(以降、トレンチ埋め込み分離構造とする)を利用することにより、半導体基板の裏面側に形成される逆阻止接合端を表面側に屈曲させて表面に交差させ、この接合端表面を表面絶縁膜で覆って耐圧信頼性を確保する構造が知られている(特許文献1〜3、非特許文献1)。図4に、逆阻止接合端を表面側に屈曲させるための前記トレンチ埋め込み分離構造2を有する逆阻止IGBT10の端部断面図を示す。この逆阻止IGBT10は、ウエハプロセスの初期段階で、ウエハ内の各半導体チップ領域の外周部内側に深いトレンチ1を形成し、このトレンチ1側壁にp型分離領域14を形成後、内部にシリコン酸化膜、ポリシリコン膜、エピタキシャルシリコン膜などを充填材として埋め込むプロセスを有する。その後、ウエハ表面に堆積した分の充填材をエッチバックすることにより表面を平坦化したトレンチ埋め込み分離構造2を形成する。次に、この分離構造2に囲まれた内側領域にゲート電極3とエミッタ領域4、エミッタ電極5等の活性部9および該活性部9を取り巻くガードリング6、フィールドプレート7などの周縁耐圧構造部8を形成することにより逆阻止IGBT10が製造される。
図5は、このウエハプロセスの初期段階で行なわれる従来のトレンチ埋め込み分離構造を形成するプロセスフローを示すトレンチ近傍の拡大断面図である。まず、半導体基板上に熱酸化もしくは減圧CVDなどによりシリコン酸化膜11を形成する(図5(a))。このシリコン酸化膜11にパターニングとエッチングによりシリコン酸化膜の開口部12を形成する(図5(b))。シリコン酸化膜の開口部12の幅は、その後に形成するトレンチ13の深さや、ドライエッチング装置の性能に依存するが、耐圧600Vクラスの逆阻止IGBTを例にとると、トレンチ13の深さが約100μm程度で、アスペクト比が5程度のトレンチ形状を仮定した場合は、そのシリコン酸化膜の開口部12の幅は20μmとなる。次に、ドライエッチングにより、前記開口部12からシリコン酸化膜11をマスクにしてシリコン半導体基板に異方性トレンチエッチングを行なって、深いトレンチ13を形成する。図示されてはいないが、トレンチエッチング後は、側壁保護膜と呼ばれるエッチング反応生成物がトレンチ13側壁や底面に付着しているので、これを除去するためにフッ酸水溶液による浸漬処理などにより、トレンチ13内の洗浄が行なわれる。トレンチ13内の洗浄後、シリコン酸化膜11を残したまま、斜めイオン注入もしくは、気相拡散により、側壁へドーパントのボロンを導入しp型分離領域14を形成する(図5(c))。トレンチ13内をSiO膜、エピタキシャルシリコン膜、ポリシリコン膜などの充填材15で充填する(図5(d))。CMP(Chemical Mechanical Polishing)やRIE(Reactive Ion Etching)などによってトレンチ13内部以外に成膜された余分の充填材をエッチバックにより除去する(図5(e))、その後、マスクとして用いたシリコン酸化膜11をフッ酸水溶液などに浸漬させて除去する(図5(f))。シリコン酸化膜11の膜厚分によって発生するトレンチ充填材15の段差を除去するため、CMPで平坦化を行なうと(図5(g))、トレンチ埋め込み分離構造2の形成が終了する。
一方、アスペクト比の大きいトレンチやホールを水素雰囲気下で高温熱処理を行なうと、シリコン表面のマイグレーションによりトレンチ開口部が閉塞し平坦化され、「Silicon on Nothing」とよばれるプロセス技術およびデバイス構造が知られている(特許文献4〜7、非特許文献2)。
図6のトレンチ部の模式的斜視図に、アスペクト比の高いトレンチは高温水素アニールによる表面シリコンマイグレーション現象によって、トレンチ開口部が閉塞される現象の過程を示す。予めシリコン半導体基板24の表面21の酸化膜が除去され、開口部22aを有しアスペクト比が比較的小さいトレンチ20aでは、高温水素アニール処理をすると、図6(a)の最左図から順に、トレンチ20aが底部から徐々に小さく、下すぼまり形状になり、最終的には表面21の開口部22aが閉塞され、トレンチ20aの凹部自体が完全に消失することを示している。ある程度アスペクトが大きいトレンチ20bの高温水素アニール処理では、(図6(b))に示すように、トレンチ中間部が細くなるとともに開口部22bが閉塞し、シリコン半導体基板24内部にトレンチが空洞23となって残る。
図7のトレンチの断面図は、(a)に示す半導体基板24の表面21から形成された開口部22aを有するアスペクト比が2.6のトレンチ20a(開口径0.25μm×0.55μm、深さ1.1μm)が高温水素アニール処理(1100℃、10Torr、10分間)により、(b)のようにトレンチ開口部22aが完全に閉塞することを示す。また、(c)に示すアスペクト比が5.5であるトレンチ20b(開口径0.25μm×0.55μm、深さ2.3μm)では、(d)のようにトレンチ開口部22bは完全に閉じ、半導体基板24内部に空洞23だけが残されることを示す(10Torr=10×133.3Pa)。
図8は、シリコン半導体基板24表面のアスペクト比が30程度の高アスペクト比のトレンチ25の開口部28上にシリコンの表面マイグレーションを阻害させるシリコン酸化膜、SiN膜26などの絶縁膜を残して高温水素アニール処理を行なった場合の、トレンチ25形状の変化の過程を示す拡大断面図である。図8(a)〜(f)までの経過条件は1100℃、10Torr(10×133.3Pa)、10分間である。シリコン半導体基板24表面にシリコン酸化膜26が形成されていると、シリコン半導体基板24の表面マイグレーションが阻害され、高アスペクト比のトレンチ25の底部から順次、部分的に閉塞されて段階的に空洞27が次々に形成されていくことを示している。トレンチ開口部28はシリコン酸化膜26があるので、閉塞されず開口されたままとなることが示されている。
特開2004−336008号公報 特開2005−93972号公報 特開2006−319218号公報 特開2001−144276号公報 特開2001−298189号公報 特開2002−110979号公報 特開2007−273993号公報 N. Tokuda, M. Kanda, T. Minato, "An ultra−small isolation area for 600V class reverse blocking IGBT with deep trench isolation process (TI−RB−IGBT)" Proceedings of 2004 International Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs, pp. 129−132 水島一郎、佐藤力、綱島祥隆、「シリコンの表面マイグレーションを利用した大面積SON(Silicon on Nothing)の形成」、応用物理、2000年、第69巻、第10号、pp1187−1191
しかしながら、前述のように、従来のトレンチ埋め込みによる分離構造は、形成した深いトレンチに充填材を埋め込む必要がある。この理由としては、深いトレンチを充填しないと、その後のウエハプロセスを流動させることが非常に困難であることが挙げられる。たとえば、深いトレンチを形成した後、トレンチ内を充填させないと、図9(a)の深いトレンチ部分の拡大断面図に示すように、その後のウエハプロセスで何度も繰り返されるフォトリソグラフィー(塗布、露光、現像、剥離)工程で、フォトレジスト30が深いトレンチ31内に入り込み、レジスト剥離(除去)が非常に困難となる。レジスト30の塗布は通常、回転ウエハに液体レジストのスピンコーティングで行なわれる。レジスト30は毛細管現象により深いトレンチ31に充填される。充填されたレジスト30を除去する場合は、通常のレジスト剥離条件では、前記図9(b)のように深さ100μmのトレンチ31内に充填されたレジスト30は、その表面が1μm程度除去されるだけである。その結果、トレンチ31内にレジスト30が残存することになる。トレンチ31内にレジスト30の残渣が存在した状態で熱処理を行なうと、レジスト30残渣が不完全燃焼され、化学的に安定な炭化物としてシリコン基板に固着する。その後のプロセスで、前記炭化物を除去することは、事実上不可能となり、著しく良品率を低下させる。このため従来のトレンチ埋め込み分離構造を利用する逆阻止IGBTでは、トレンチ31をエピタキシャルシリコンもしくはポリシリコンで充填させる必要があった。この充填のためのシリコンエピタキシャル成長工程もしくはポリシリコン成膜工程も、深いトレンチつまり開口幅が大きなトレンチの場合は成膜膜厚が大きくなり、製造コストが増大する。たとえば、アスペクト比5の深さ100μmトレンチの場合、そのトレンチ開口幅は20μmとなり、充填に必要な成膜膜厚は少なくとも10μm以上を要する。さらに、埋め込み膜はトレンチ以外の基板表面上にも当然成膜されるので、前記図5(d)〜図5(g)に示されるエッチバック処理および表面平坦化処理が必要不可欠となり、コスト増大を伴っていた。
本発明は、以上述べた点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、逆阻止用のトレンチを充填しなくても、ウエハプロセスを高良品率にすることのできるトレンチ分離型逆阻止MOS型半導体装置の製造方法を提供することである。
発明は、半導体チップの外周に絶縁膜をマスクにして半導体基板の第1主面から逆阻止接合に達する深さのトレンチを形成する第1工程、該トレンチの側壁に第2導電型不純物を導入して第2導電型分離領域を形成する第2工程、前記絶縁膜マスクの除去後、前記トレンチの開口部近傍を除くトレンチ内面にシリコン酸化膜を形成してから高温水素アニール処理により前記トレンチ開口部を閉塞する第3工程、前記第2導電型分離領域に囲まれる内側の第1主面に第2導電型ベース領域、周縁耐圧構造部、第1導電型エミッタ領域、ゲート絶縁膜、ゲート電極を形成する第4工程、前記半導体基板の第2主面に第2導電型領域を形成して前記第2導電型分離領域に導電接続する第5工程を有するトレンチ分離型逆阻止MOS型半導体装置の製造方法とすることによって、前記本発明の目的が達成される。前記絶縁膜マスクを除去後、シリコン酸化膜を形成し、斜めイオン注入によって前記トレンチの開口部近傍のみにダメージを与え、ダメージを受けたシリコン酸化膜を選択的にエッチングにより除去することにより、前記トレンチの開口部近傍を除くトレンチ内面にシリコン酸化膜を形成する製造方法とすることもできる。また、前記第3工程の後、トレンチ形成用絶縁膜マスクを残したまま、高温水素アニール処理を施し、続いて、前記絶縁膜マスクを除去した後、再度高温水素アニール処理を施す製造方法とすることも望ましい。また、閉塞された前記トレンチの中央で半導体基板を切断して半導体チップとすることもできる。閉塞された前記トレンチの内側で半導体基板を切断して半導体チップとすることも好ましい。
本発明によれば、逆阻止用のトレンチを充填しなくても、ウエハプロセスを高良品率とすることのできるトレンチ分離型逆阻止MOS型半導体装置の製造方法を提供することができる。
本発明の実施例1にかかる埋め込みレスのトレンチ分離構造形成用プロセスフローを説明するためのトレンチ部拡大断面図である。 本発明の実施例2にかかる埋め込みレスのトレンチ分離構造形成用プロセスフローを説明するためのトレンチ部拡大断面図である。 本発明にかかるトレンチ埋め込みレスのトレンチ分離型RB−IGBTのチップ周縁部の断面図である。 従来のトレンチ埋め込み分離構造を有する逆阻止IGBTの端部断面図である。 従来のトレンチ埋め込み分離構造を形成するプロセスフローを示すトレンチ近傍の拡大断面図である。 従来のトレンチ開口部が閉塞される現象の過程を示すトレンチ部の模式的斜視図である。 一般的なトレンチの断面図(a)と、トレンチ閉塞後の断面図(b)および高アスペクト比のトレンチの断面図(c)と、トレンチ閉塞後の断面図(d)である。 一般的なトレンチ形状の、高温水素アニール処理による変化の過程を示す拡大断面図である。 従来の高アスペクト比のトレンチ部分の拡大断面図であり、(a)は高アスペクト比のトレンチ内にレジストを埋め込んだ状態を示す断面図、(b)は表面上のレジストを除去した状態を示す拡大断面図である。
以下、本発明のトレンチ分離型逆阻止MOS型半導体装置の製造方法の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。本発明はその要旨を超えない限り、以下に説明する実施例の記載に限定されるものではない。
図1に本発明の実施例1として、逆阻止IGBTにおける埋め込みレスのトレンチ分離構造形成用プロセスフローを説明するためのトレンチ部拡大断面図を示す。半導体基板100上に熱酸化もしくは減圧CVD法によって、トレンチエッチング用マスクとなるシリコン酸化膜101を形成し(図1(a))、シリコン酸化膜101の開口部102を形成(図1(b))後、RIE(リアクティブイオンエッチング)などにより略垂直で、耐圧によって決まる所要の深さに異方性エッチングし、トレンチ103を形成する(図1(c))。次に気相拡散などによりトレンチ103側壁へ矢印に示すボロン導入(図1(d))によりp型分離領域104を形成した(図1(e))後、酸化膜マスク101を全面除去し(図1(f))、トレンチ103側壁に減圧CVDもしくは熱酸化によってシリコン酸化膜105を形成し(図1(g))、斜めイオン注入によってトレンチ103側壁のシリコン酸化膜101に対して、トレンチ開口部106の近傍領域にのみ選択的にイオン注入ダメージを導入する(図1(h))。ダメージが導入されたシリコン酸化膜105は、ウェットエッチングでのエッチング速度が増大することを利用して、トレンチ開口部106近傍のみ、選択的に除去(図1(i))される。高温水素アニールによるトレンチ開口部106の閉塞処理を施すと、トレンチ開口部106は(図1(j)、(k)、(l))に示すように、徐々に閉じられ、トレンチ103は閉塞トレンチ103aとなってトレンチ埋め込みレス分離構造の形成処理が終了する。高温水素アニール処理はたとえば、1100℃、10Torr(10×133.3Pa)、10分間の条件とすることができる。
図3(a)に示すトレンチ埋め込みレスのトレンチ分離型RB−IGBTの断面図のように、半導体基板100の第1主面の各半導体チップ領域の外周部に閉塞トレンチ103aとp型分離領域104からなる環状の平面パターンを有する前述のトレンチ埋め込みレス分離構造117を形成した後、半導体基板の裏面研削を行い、所要の厚さにした後、このトレンチ埋め込みレス分離構造117により囲まれる第1主面内に、ゲート絶縁膜110a、ゲート電極110、エミッタ電極111、nエミッタ領域112、pチャネル領域112aなどからなる活性部116、ガードリング113、フィールド酸化膜113a、金属電極114などからなる周縁耐圧構造部115をよく知られた公知の方法により形成し、半導体基板の裏面にp型コレクタ層をイオン注入などにより形成し、前記p型分離領域104に導電接続させることにより、前記トレンチ埋め込みレスのトレンチ分離型RB−IGBTが形成される。以上の説明では、トレンチ埋め込みレス分離構造117を半導体チップ領域の外周部に環状の平面パターンとする構成としたが、この環状の平面パターンはトレンチ自体が完全に連続的な環状にされる必要は必ずしも無く、トレンチは断続的な構成であっても、このトレンチの側壁に形成されるp型分離領域が熱拡散の拡がりによって連続的な環状の平面パターンになっていればよい。
本発明にかかる埋め込みレスのトレンチ分離構造はトレンチ内を充填する必要がなく、充填工程、CMPエッチバック工程などの煩雑な工程が省略されるという効果を奏する。また充填材との熱膨張係数差による応力が発生しないので信頼性や良品率が向上する。
図2に本発明の実施例2として、前記実施例1とは異なる逆阻止IGBTにおける埋め込みレスのトレンチ分離構造形成用プロセスフローを説明するためのトレンチ部拡大断面図を示す。半導体基板100上に、実施例1と同様に、シリコン酸化膜マスク101を用いて、シリコン酸化膜の開口部102からトレンチ103が形成される(図2(a)〜(c))。トレンチ103側壁にボロンが導入され、p型分離領域104が形成された(図2(d)、(e))後、実施例1と異なり、トレンチエッチングで使用されたシリコン酸化膜マスク101を除去せずに残留させたまま、1回目の高温水素アニールによるトレンチ開口部106の閉塞処理を行う(図2(f)〜(h))。高温水素アニール処理はたとえば、1100℃、10Torr(10×133.3Pa)、10分間の条件とすることができる。実施例2では実施例1と異なり、トレンチ103が複数の空洞107となって基板内部に残る。このトレンチ開口部106の閉塞処理では基板表面にシリコン酸化膜マスク101があるので、トレンチ開口部106はこの段階では閉塞されない。次に、前記シリコン酸化膜マスク101の全面除去処理が行なわれ(図2(i))、第2回目の高温水素アニールによるトレンチ開口部106の閉塞処理が行なわれる(図2(j)、(k)、(l))。図2(l)では、基板内部に複数の空洞107が残り、基板表面はシリコン酸化膜が除去されているので、完全に閉じてフラットになる。その後、実施例1と同様のプロセスを施すことにより、最終的には図3(b)に示されるような、トレンチ内の複数の空洞107に「梁」が渡されて機械的強度が向上するトレンチ分離構造を有するトレンチ埋め込みレスのトレンチ分離型RB−IGBTが得られる。図3(c)にトレンチ埋め込みレス分離構造を形成するためのトレンチが、スクライブライン(ダイシングライン)118を中央に形成したトレンチ分離型RB−IGBTのチップ端部の断面図を示す。トレンチの中央部にダイシングライン118を設定するので、チップサイズの削減が可能であり、チップ取れ数が増加する効果を奏する。図3(a)の場合も、図3(c)のように閉塞トレンチ103aの中央部にダイシングライン118を設定してもよい。
また、図3(b)、(c)の場合も、前述の図3(a)と同様に、トレンチは環状トレンチにて形成され、トレンチ側壁に気相拡散によってボロンを導入後に、熱拡散によって隣接する側壁のp型分離領域104が連続的な環状となって、チップの活性部に形成されるpコレクタ層と接続するとともに、空洞107間にチップ活性部を取り囲むように連続的に接続されるp型分離領域104が形成されるとチップの機械的強度が増加するため望ましい。
1 トレンチ
2、117 トレンチ埋め込み分離構造
3 ゲート電極
4 エミッタ領域
5 エミッタ電極
6 ガードリング
7 フィールドプレート
8 周縁耐圧構造部
9 活性部
10 逆阻止IGBT
11、101 シリコン酸化膜
12、102 開口部
13、103 トレンチ
14、104 p型分離領域
15 充填材
20a 高アスペクトトレンチ
20b 高アスペクトトレンチ
21 半導体基板
22a 高アスペクトトレンチの表面
22b 高アスペクトトレンチの表面
23 気泡
24 半導体基板
25 トレンチ
26 絶縁膜
27 気泡
28 開口部
100 半導体基板
103a 空洞
105 シリコン酸化膜
106 トレンチ開口部
107 空洞
110 ゲート電極
110a ゲート絶縁膜
112 エミッタ領域
113 ガードリング
114 金属電極
115 周縁耐圧構造部
116 活性部
118 スクライブライン

Claims (5)

  1. 半導体チップの外周に絶縁膜をマスクにして半導体基板の第1主面から逆阻止接合に達する深さのトレンチを形成する第1工程、該トレンチの側壁に第2導電型不純物を導入して第2導電型分離領域を形成する第2工程、前記絶縁膜マスクの除去後、前記トレンチの開口部近傍を除くトレンチ内面にシリコン酸化膜を形成してから高温水素アニール処理により前記トレンチ開口部を閉塞する第3工程、前記第2導電型分離領域に囲まれる内側の第1主面に第2導電型ベース領域、周縁耐圧構造部、第1導電型エミッタ領域、ゲート絶縁膜、ゲート電極を形成する第4工程、前記半導体基板の第2主面に第2導電型領域を形成して前記第2導電型分離領域に導電接続する第5工程を有することを特徴とするトレンチ分離型逆阻止MOS型半導体装置の製造方法。
  2. 前記絶縁膜マスクを除去後、シリコン酸化膜を形成し、斜めイオン注入によって前記トレンチの開口部近傍のみにダメージを与え、ダメージを受けたシリコン酸化膜を選択的にエッチングにより除去することにより、前記トレンチの開口部近傍を除くトレンチ内面にシリコン酸化膜を形成することを特徴とする請求項1記載のトレンチ分離型逆阻止MOS型半導体装置の製造方法。
  3. 前記第3工程の後、トレンチ形成用絶縁膜マスクを残したまま、高温水素アニール処理を施し、続いて、前記絶縁膜マスクを除去した後、再度高温水素アニール処理を施すことを特徴とする請求項2記載のトレンチ分離型逆阻止MOS型半導体装置の製造方法。
  4. 閉塞された前記トレンチの中央で半導体基板を切断して半導体チップとすることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のトレンチ分離型逆阻止MOS型半導体装置の製造方法。
  5. 閉塞された前記トレンチの内側で半導体基板を切断して半導体チップとすることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のトレンチ分離型逆阻止MOS型半導体装置の製造方法。
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