JP7220455B2

JP7220455B2 - ＳｉＣトレンチ型ＭＯＳＦＥＴのトレンチ作製方法

Info

Publication number: JP7220455B2
Application number: JP2018208659A
Authority: JP
Inventors: 聡充内田; 貴之小林; 禎久梅野; 慎一本山
Original assignee: Samco Inc
Current assignee: Samco Inc
Priority date: 2018-11-06
Filing date: 2018-11-06
Publication date: 2023-02-10
Anticipated expiration: 2038-11-06
Also published as: JP2020077691A

Description

本発明は、炭化珪素（SiC）製トレンチ型MOSFETのトレンチ作製方法に関する。

パワートランジスタとして用いられるトレンチ型MOSFETでは、ゲートは、基板に掘ったトレンチ（溝）の内部に絶縁膜を介して設けた電極により構成される。このトレンチの形状に急峻な部分があると、ゲート電極に電圧を印加した際、その急峻な部分に電界集中が生じ、トレンチ内面の絶縁膜が破壊される。そこで、デバイスの耐圧を高めるためにトレンチの底部をU字状に形成することが望ましい。

このような方法の一つとして、特許文献１には、異方性エッチングを行うことにより半導体基板上にトレンチを形成する第１の工程と、この第１の工程の後、順テーパエッチングを行うことにより前記トレンチの底部のコーナー部を順テーパ形状に加工する第２の工程と、この第２の工程の後、等方性エッチングを行うことにより前記トレンチの底部のコーナー部を丸める第３の工程とを有する方法が開示されている。このトレンチの底部のコーナー部を順テーパ形状に加工する第２の工程として、具体的には、エッチング槽内の酸素濃度を上げることによりトレンチの側壁に保護膜（シリコン酸化膜）を堆積しながらエッチングする方法と、エッチング槽内の圧力を上げると共に、投入する高周波出力（パワー）を下げることにより、イオンの入射方向の垂直成分を低下させる方法が記載されている。

特許文献１は半導体基板としてシリコン基板を対象としているが、より高電圧の用途には、より高耐圧である炭化珪素を基板として用いたSiCトレンチ型MOSFETが用いられる。炭化珪素はシリコンと比較して結晶の格子定数が小さく、原子間が強固に結合しているため、炭化珪素基板はシリコン基板と比較してエッチング加工しにくいという特性がある。そのため、シリコン基板と同様の方法では炭化珪素基板のエッチング加工を行うことは容易ではない。

SiCトレンチ型MOSFETにおいて、トレンチの底部を丸くする方法が特許文献２に開示されている。特許文献２に開示される方法では、まず、フッ素を含有するエッチングガスと保護膜形成ガスの混合ガスをプラズマ化し、さらに、基板を置く基台の表面から炭化珪素基板の裏面に向かって不活性ガスを流しながら、炭化珪素基板をエッチングしてトレンチを形成する。トレンチを形成した後、次の（Ａ）～（Ｃ）の少なくも１つを実施して前記トレンチの底をエッチングする。（Ａ）トレンチを形成する工程よりも前記エッチングガスの流量を低減する。（Ｂ）トレンチを形成する工程よりも前記保護膜形成ガスの流量を増大する。（Ｃ）トレンチを形成する工程よりも前記不活性ガスの圧力を低減する。（Ａ）では、エッチングガスによるエッチング能力が低下する結果、トレンチ底の周縁が削られにくくなり、トレンチ底の中央部の方が周縁部よりもエッチングされやすくなってトレンチ底がラウンド化されやすくなる、とされている。（Ｂ）では、トレンチの側壁に厚い保護膜が形成され、エッチングガスのプラズマイオンがトレンチ底部の周縁部に当たりにくくなる結果、トレンチ底がラウンド化されやすくなる、とされている。（Ｃ）では、炭化珪素基板の温度が低下しにくくなるため、トレンチ底部が等方エッチングされやすくなり、トレンチ底部がラウンド化されやすくなる、とされている。

特開2001-44216号公報特開2015-162630号公報

特許文献２に記載の方法のうち（Ａ）（Ｂ）の方法では、トレンチの側壁に形成される保護膜がトレンチ形成工程時よりも厚くなる結果、トレンチ底の周縁部に入射するはずのエッチングガスイオン（フッ素イオン）が保護膜に阻止され、エッチングガスイオンはトレンチ底の中央部に集中して入射し、トレンチ底をラウンド化する、とされている。

しかし、いずれの方法でも、エッチングガスはトレンチ底の中央部に集中して入射するため、トレンチ底の中央部は掘られるものの、トレンチ底の周辺部はトレンチ形成工程で形成されたままの状態となる可能性が高く、トレンチ底周辺部の急峻な形状は十分に改善されない可能性がある。

本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、トレンチ底周辺部の急峻な形状をなくし、絶縁破壊の可能性を低減したSiCトレンチ型MOSFETに適したトレンチ作製方法を提供する。

上記課題を解決するために成された本発明に係るSiC基板のトレンチ作製方法は、炭化珪素基板にプラズマによる反応性イオンエッチング処理を行うことにより前記炭化珪素基板にトレンチを形成する第１工程と、略等方性プラズマにより前記トレンチの内面に保護膜を形成する第２工程と、前記トレンチの深さ方向に強くエッチングする異方性エッチング処理を行うことにより前記トレンチの底部を掘る第３工程と、を有することを特徴とする。

本発明に係るトレンチ作製方法により、トレンチの底の形状が丸くなり、トレンチ底周辺部の急峻な形状の無い、絶縁破壊の可能性を低減したSiCトレンチ型MOSFETを製造することができる。

本発明を実施するためのプラズマ処理装置の概略構成図。本発明を実施する第１の方式のトレンチ作製方法のフローチャート。第１の方式の処理条件の一例の表。第１の方式の処理の各工程におけるトレンチの断面図。本発明を実施する第２の方式のトレンチ作製方法のフローチャート。第２の方式の処理条件の一例の表。第２の方式の処理の各工程におけるトレンチの断面図。第２の方式で処理を行った後のトレンチの一例の断面写真。

以下、本発明に係るトレンチ作製方法の一実施形態について図面を用いて説明する。図１は、本実施形態のトレンチ作製方法で使用する誘導結合型反応性イオンエッチング装置（ICP-RIE、製品名：RIE-600iP。サムコ株式会社製。以下「プラズマエッチング装置」とする）の要部構成図である。

図１のプラズマエッチング装置１は、プラズマエッチングを行う反応室１０を有し、その底部に、処理対象物である基板（以下、これをワークと言う）１１を載置する平板状の下部電極１２が設けられている。この下部電極１２には、ブロッキングコンデンサ１６及び第１整合器１７を介して第１高周波電源１８が接続されている。下部電極１２にはまた、プラズマ処理中にワーク１１を固定するための静電吸着機構（図示せず）、及び、ワーク１１を所定の温度に保つための冷却ガス（Heガス）を流通させる冷却ガス流路（図示せず）が設けられている。

反応室１０の側壁には、後述の処理ガス（エッチングガス又は保護膜形成用の成膜ガス）を導入するガス導入口１４と、反応室１０内を排気する、真空ポンプ２６に接続されたガス排気口１５が設けられている。

ガス導入口１４には第１マスフローコントローラ（ＭＦＣ）２２ａ、第２ＭＦＣ２２ｂ、第３ＭＦＣ２２ｃ及び第４ＭＦＣ２２ｄが並列に接続されており、これら第１ＭＦＣ２２ａ～第４ＭＦＣ２２ｄにはそれぞれ第１ガス供給源２３ａ、第２ガス供給源２３ｂ、第３ガス供給源２３ｃ及び第４ガス供給源２３ｄが接続される。これらガス供給源２３ａ～２３ｄには処理の内容に応じて必要なガスの種類が選択され、第１ＭＦＣ２２ａ～第４ＭＦＣ２２ｄに接続される。反応室１０内に送給される処理ガスの設定は、これら第１ＭＦＣ２２ａ～第４ＭＦＣ２２ｄの流量及び開閉を制御することにより行われる。

反応室１０の上部には、誘電体窓１３を介して上部電極である渦巻状のコイル１９が設けられている。コイル１９の一端は第２整合器２０を介して第２高周波電源２１に接続されており、他端は直接、第２高周波電源２１に接続されている。

本プラズマエッチング装置１にはコンピュータにより構成される制御部２９が設けられており、操作者は、本プラズマエッチング装置１による各種処理を制御部２９を通じて行う。制御部２９は、操作者により指定された条件及び予め設定された条件等に基づいて、第１高周波電源１８、第２高周波電源２１、真空ポンプ２６、及び第１ＭＦＣ２２ａ～第４ＭＦＣ２２ｄを動作させる。また、冷却ガスの流量を制御することにより、処理時の下部電極１２の温度（チラー温度）を制御する（図示せず）。

以下、上記プラズマエッチング装置１を用いた炭化ケイ素（SiC）基板のトレンチ作製方法について説明する。本発明に係るトレンチ作製方法には様々な方式が考え得るが、以下に、第１の方式について図２～図４を参照しつつ説明する。

まず、処理対象であるワーク１１を準備する。ワーク１１は厚さ525μmの炭化ケイ素（SiC）基板３２であり、その表面に酸化珪素（SiO2）による厚さ3.0μmのマスク３１を形成し、そこに幅1～2μmのトレンチパターン３３を形成しておく（図４(a)）。

このように準備したワーク１１を下部電極１２上に載置し、静電吸着機構によりワーク１１を下部電極１２に確実に保持する。次に、ワーク１１へのトレンチ作製のための処理条件を制御部２９に入力し（或いは、予め作成され、記憶装置等に記憶された処理条件を読み出し）、トレンチの作製を制御部２９に指示する。これにより制御部２９は以下のような手順で処理を行う。

第１の方式では、３段階の工程でトレンチを作製する。第１工程では、トレンチパターン３３が形成されたワーク１１に対して異方性エッチングを行うことにより、原トレンチ３４を形成する（ステップＳ１１）。具体的には、第１ＭＦＣ２２ａに第１ガス供給源２３ａとして６フッ化硫黄（SF6）ガス源を、第２ＭＦＣ２２ｂに第２ガス供給源２３ｂとして酸素（O2）ガス源を、第３ＭＦＣ２２ｃに第３ガス供給源２３ｃとしてアルゴン（Ar）ガス源を、そして第４ＭＦＣ２２ｄに第４ガス供給源２３ｄとして８フッ化４炭素（C4F8）を接続する。これらの混合ガスを処理ガスとし（ただし、Arはアシストガス）、上部電極であるコイル１９から誘導電力（ICP）を投入しつつ、下部電極１２にはバイアス電圧（Bias）を印加することにより、ワーク１１の面に対して垂直な方向に強くエッチングする異方性エッチングを行う。第１工程の処理条件を図３(a)に示す。第１工程後のワーク１１には、図４(b)に示すように、深さ1.9μmのトレンチ（原トレンチ３４）が形成された。

次に、第２工程として保護膜形成処理を行う（ステップＳ１２）。具体的には、第４ＭＦＣ２２ｄに接続された８フッ化４炭素（C4F8）ガス源と、第３ＭＦＣ２２ｃに接続されたアルゴン（Ar）ガス源を使用し、第１ガス供給源２３ａと第２ガス供給源２３ｂは使用せず、第１ＭＦＣＣ２２ａと第２ＭＦＣ２２ｂは閉としておく。両ガスの混合ガスを処理ガスとし（ただし、Arはアシストガス）、上部電極であるコイル１９から誘導電力（ICP）を投入して処理ガスをプラズマ化し、トレンチの底面及び側面に保護膜３５を形成する。ここではバイアス電圧（Bias）は印加しない。第２工程の処理条件を図３(b)に示す。第２工程後は、図４(c)に示すように、トレンチ３４の表面に厚さ100～500nmの保護膜３５が形成された。

第３工程として、再び異方性エッチングを行う（ステップＳ１３）。具体的には、第１工程と同じく、第１ガス供給源２３ａから６フッ化硫黄（SF6）ガスを、第２ガス供給源２３ｂから酸素（O2）ガスを、そして第３ガス供給源からアルゴン（Ar）ガスを導入し、上部電極であるコイル１９から誘導電力（ICP）を投入しつつ、下部電極にはバイアス電圧（Bias）を印加する。ただし、上部電極及び下部電極からの投入電力は第１工程よりも小さくしておく。第３工程の処理条件を図３(c)に示す。これにより、ワーク１１のトレンチ３４の底部に対して主に強くエッチングが行われるが、側壁の保護膜３５も少しずつ削られてゆく。従って、図４(d)から(e)に示すようにトレンチ３４の底部は、中央から先に削られ始め、削られる範囲が徐々に周辺に広がってゆくことになり、最終的には図４(e)に示すように底が丸くなったトレンチ３４が得られる。

第１の方式ではこのように、トレンチ３４の側壁の保護膜３５が徐々に削られてゆく間にトレンチ３４の底部に対して徐々に径が拡大するエッチングが行われてゆくことにより底が丸くなったトレンチ３４が得られるという方式であるため、第２工程における保護膜３５の厚さをやや厚くしておくことが望ましい。例えば、保護膜３５の厚さ（片側の厚さ）をトレンチ３４の幅の10～50%程度としておくことが望ましい。この範囲を満たさないとトレンチの底が丸くならない傾向がある。なお、第１の方式では、第４ガス供給源２３ｄとして８フッ化４炭素（C4F8）を用いてCF系の保護膜を形成したが、テトラエトキシシラン(TEOS)などを用いてSiO2の保護膜を形成してもよい。

次に、本発明に係るトレンチ作製方法の第２の方式について、図５～図７を参照しつつ説明する。第２の方式では、前記第１の方式と第１工程は同じであるが、第２工程及び第３工程は、薄い保護膜形成とその底面側保護膜を除去するための異方性エッチング、そしてその保護膜が除去された底面をエッチングする等方性エッチングの３つの処理を繰り返すことで代替される。この後半の保護膜形成－異方性エッチング－等方性エッチングは、高アスペクト比のエッチングを行うためのいわゆるボッシュプロセスに類似の処理である。従って、これらの処理（図５のステップＳ２２～Ｓ２４）はボッシュプロセスに適した誘導結合型反応性イオンエッチング装置（ICP-RIE、製品名：RIE-800iPBC。サムコ株式会社製）を用いた。このエッチング装置の基本的構成は図１と同様であるので図示を省略する。

詳しく説明すると、第２の方式では、第１工程（ステップＳ２１）により原トレンチ３４を形成した後、図６(b)の上段に記載の条件で、薄い保護膜４１を形成する（ステップＳ２２）。この状態を図７(c)に示す。次に、図６(b)の中段に記載の条件で、異方性エッチングを行う（ステップＳ２３）。これにより、トレンチ３４の底部４２の保護膜４１が除去される。そして図６(b)の下段に記載の条件で、等方性エッチングを行う（ステップＳ２４）。これにより、図７(d)に示すように、トレンチ３４の底部４２が少しエッチングされる。これらステップＳ２２～ステップＳ２３の処理を繰り返すことにより、トレンチ側壁の保護膜４１が１ステップ毎に少しずつ厚く堆積してゆき、トレンチ３４の底に丸い穴が形成され、トレンチの底部がラウンド化される（図７(e)）。第２の方式ではこのように、トレンチ３４の側壁の保護膜４１が徐々に堆積してゆく間にトレンチ３４の底部に対して徐々に径が縮小するエッチングが行われてゆくことにより底が丸くなったトレンチ３４が得られるという方式であるため、例えば、処理が終了したときの保護膜４１の厚さ（片側の厚さ）がトレンチ３４の幅の10～50%程度となるようにステップ２２の条件を調整することが望ましい。なお、トレンチ３４の側壁の保護膜４１は例えば酸素プラズマによるアッシング法などの定法で除去することができる。ステップＳ２２～ステップＳ２３の処理を25回繰り返してトレンチの底部をラウンド化し、次に、トレンチの側壁の保護膜をアッシングして除去した後のトレンチの断面写真を図８(b)に示す。図８(a)はその処理を行う前（ステップＳ２１）の断面写真である。

１…プラズマエッチング装置
１０…反応室
１１…ワーク
１２…下部電極
１３…誘電体窓
１４…ガス導入口
１５…ガス排気口
１６…ブロッキングコンデンサ
１７…第１整合器
１８…第１高周波電源
１９…コイル
２０…第２整合器
２１…第２高周波電源
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ…第１ＭＦＣ、第２ＭＦＣ、第３ＭＦＣ、第４ＭＦＣ
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ…第１ガス供給源、第２ガス供給源、第３ガス供給源、第４ガス供給源
２６…真空ポンプ
２９…制御部
３１…マスク
３２…基板
３３…トレンチパターン
３４…トレンチ
３５…保護膜
４１…保護膜

Claims

炭化珪素基板にプラズマによる反応性イオンエッチング処理を行うことにより前記炭化珪素基板にトレンチを形成する第１工程と、等方性プラズマにより前記トレンチの内面に保護膜を形成する第２工程と、前記トレンチの深さ方向に強くエッチングする異方性エッチング処理を行うことにより前記トレンチの底部を掘る第３工程と、を有することを特徴とする炭化珪素基板のトレンチ作製方法。
前記第２工程における保護膜の厚さを前記トレンチの幅の10～50%とすることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素基板のトレンチ作製方法。
更に、前記第３工程の後、前記トレンチの底部を掘る等方性エッチング処理を行う第４工程を有することを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素基板のトレンチ作製方法。
前記第２工程、第３工程及び第４工程を繰り返すことを特徴とする請求項３に記載の炭化珪素基板のトレンチ作製方法。