JP7303971B1 - スーパージャンクション構造を有する半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】シリコン基板に形成した開口幅が小さくアスペクト比が大きなトレンチを、開口部の閉塞を防ぎつつ、高速のエピタキシャル成長により埋め込む方法を提供する。【解決手段】高アスペクト比のトレンチが形成されたシリコン基板を選択エピタキシャル成長によりトレンチ開口部に閉塞が生じないように成長温度を950℃から1050℃の範囲に設定し、高濃度の塩化シランをシリコンソースとする反応ガスに塩化水素ガスをトレンチのアスペクト比に応じた量を添加して閉塞が生じない範囲で高速な成長速度でトレンチをエピタキシャル成長で埋め込む。【選択図】 図１
Description
本発明は、シリコン基板(表面が鏡面仕上げされたシリコンウエーハ)にディープトレンチをストライプ状に多数形成し、基板と異なる導電型のシリコンエピタキシャル成長層で、前記トレンチを埋め戻す半導体基板の製造方法に関する。
パワーＭＯＳＦＥＴの技術進展にともなって、オン抵抗の低減効果が顕著となる６００Ｖ前後の高耐圧製品を中心に、シリコン基板にストライプ状にｐｎのコラムを多数形成し耐圧に対し低オン抵抗特性を有するスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴ（ＳＪＭＯＳ）の実用化が進展してきている。スーパージャンクション（ＳＪ）構造の製造法には、シリコン基板と同じ導電型の薄いエピタキシャル層を成長する工程とフォトリソグラフィー工程後に基板と異なる導電型のドーパントをイオン注入し、再び前記基板と同じ導電型の薄いエピタキシャル層を成長する工程を多数回繰り返すマルチエピ法と、ドライエッチングでシリコン基板にディープトレンチを形成し基板と異なる導電型のエピタキシャル成長によりトレンチを埋め戻すディープトレンチ法（以下トレンチ埋め込み法と表記）がある。微細トレンチが形成しやすく、製造方法が単純なトレンチ埋め込み法でのＳＪＭＯＳの開発が一時期勢力的に進められた。しかし、トレンチを形成したシリコン基板（以下ではトレンチ基板と表記）をエピタキシャル成長で埋め込む際にトレンチ開口部が閉塞しボイドが発生するという問題があり、ボイド発生を回避するために成長速度を遅くせざるを得ず、生産性が著しく悪化することから実用化は限定されている。
それに対し、マルチエピ法では、薄いエピタキシャル成長とフォトリソグラフィーとイオンインプラを交互に繰り返すことによりｐｎコラムを形成するので、個々の製造工程は技術的に確立している。但し、微細なｐｎコラムを形成するためには、薄いエピタキシャル成長層を形成してイオンインプラをおこなう工程をｐｎコラムの厚さが素子の耐圧に対応した厚さになるまで多数回繰り返すことが必要となり、製造工程が著しく長く複雑になり、コストが上昇するという問題がある。
マルチエピ法は、最先端のロジック系ＣＭＯＳＩＣ用のシリコン基板にｐ／ｐ+型エピタキシャル基板が広く用いられるようになり、枚葉式エピタキシャル装置の改良や３μｍ～５μｍの厚さのエピタキシャル成長プロセス技術が進歩して、品質の向上やコスト低減が進んだこと、及び、300ｍｍφの基板がマルチエピ法ＳＪＭＯＳの製造にも用いられ始め、面積当たりのエピ製造コストが半減する状況となっている。そのような背景と、微細なトレンチをボイドの発生を避けて効率よく埋めこむトレンチ埋め込み法の技術開発が進んでいないこともあり、現状ではＳＪＭＯＳはマルチエピ法で大半が生産されるようになっている。
トレンチ埋め込み法は、トレンチ内にボイドが発生すると耐圧低下やリーク電流増大の原因となるので、それを回避してトレンチをどの様に埋め込むかが技術課題となる。トレンチをエピタキシャル成長で埋込むとき、トレンチ開口部が閉塞してボイド発生の原因になり易く、その対策が最大の課題となる。初期には埋め込み途中で閉塞しかかったトレンチ開口部を塩化水素ガスによるエッチバックで広げた後に埋め込み工程を再開する方法が用いられたが生産性が極めて悪かった。生産性向上のために、エピタキシャル成長の反応ガスにハロゲン化物ガスを添加してトレンチ開口部近傍の成長速度を底部より遅くして閉塞を防ぐ手法や、埋め込みエピタキシャル成長を反応律速条件で行い開口部での閉塞を防ぐという手法が比較的早い段階で提案されている。（特許文献１、２）しかし、それらの提案を具体的に実施していく段階でボイドの発生防止を効率的に、安定的に実施することが難しく、多くの提案がなされたが、ボイドの発生が起らないエピタキシャル成長条件を試行錯誤的に求める内容の提案が大半で低生産性の問題解決のための提案は殆ど無かった。（特許文献５［０００８］）
トレンチ埋め込み法の一部で、ボイドが発生してもＳＪＭＯＳの電気特性に殆ど影響しない位置にボイドが発生するようにして、エピタキシャル成長速度が比較的速いプロセス技術開発がおこなわれ、製品の製造がかなりの規模でおこなわれている。素子特性の悪化を招いたり製造工程に大きな支障をきたしたりする表層部にボイドが発生しないように、結晶方位の選択やプロセスの工夫によりある程度の生産性を確保して、大規模な製品販売が実現されてきている。しかし、微細化への対応に限界にあることから、マルチエピ法以上の微細化には対応出来ていない。（特許文献４）
２０１０年頃からＳＪＭＯＳの微細化、低オン抵抗化は、マルチエピ法によりエピタキシャル層を薄くして多層化することにより行われるようになり、トレンチ埋め込み法による先端ＳＪＭＯＳの製品開発は殆ど行われなくなっている。マルチエピ法ではエピタキシャル層を薄くし１５層位まで層数を増やして微細化、低オン抵抗化がおこなわれてきている。工程の複雑化やイオンインプラ層の横方向の拡散等の問題もあり、微細化は限界に近付いている。その為、２００ｍｍφ化への移行が課題として残されているが、ＳｉＣやＧａＮ ｏｎ Ｓｉなどの新材料を用いた素子による高性能パワー半導体に次世代製品の開発の重点が移っているのが実情である。
何れにしろ、シリコン系のパワーＭＯＳのニーズはインバータ用を中心として今後一段と拡大していくことは明らかである。先端品だけでなく汎用品の性能向上、コスト低減、省エネルギー化も進めていく必要がある。ＳＪＭＯＳは耐圧が６００Ｖ前後の製品に主に用いられてきているが、１００Ｖ前後の低耐圧パワーＭＯＳにはマルチエピ法の適用は難しいがトレンチ埋め込み法は適用可能であり、ＳｉＣやＧａＮ ｏｎ Ｓｉなどに開発の主体が移った現在、シリコン基板を用いる今後のパワーＭＯＳ全体の性能向上を考えたとき、 トレンチ埋め込み型ＳＪＭＯＳの可能性をもう一度原点に戻り再検討し、可能性があるなら、その技術を埋没させないようにすべきであると考えられる。
Ｓ.Ｙａｍａｕｃｈｉ,ｅｔ.ａｌ,Ｐｒｏｃ.ＩＳＰＳＤ ２００１,ｐ３６３
ＳＪＭＯＳのオン抵抗特性は、素子の微細化で高性能化が実現される。（図２参照）しかし、微細化にはマルチエピ法にもトレンチ埋め込み法にも課題がある。マルチエピ法では微細化の限界が具体的に見通せるが、トレンチ埋め込み法は、ボイドを発生させずにどの程度微細なトレンチを埋め込めるかについては、トレンチ埋め込みエピタキシャル技術次第である。マルチエピ法では耐圧６００Ｖ前後の製品では１２層以上の薄いエピタキシャル層を積み重ねて必要な厚さにする必要があるが、トレンチ埋め込み法はエピタキシャル成長で微細なトレンチを容易に埋め込めればエピタキシャル成長が1度で済むので、それが実現されれば低オン抵抗のＳＪＭＯＳの製法の本命となることは確かである。しかし、トレンチ部の埋め込み不良（ボイド）の発生を回避するための技術的ハードルは予想以上に高く、製法の進展がない状態が続いてきた。その一方で、ロジック系ＣＭＯＳ用の３～５μｍの厚さの平坦なエピタキシャル成長のコストが低下してきたことから、ＳＪＭＯＳについてはマルチエピ法で大半の製品が供給されるようになった。トレンチ埋め込み法については、開発を終了する前にその高い技術的ハードルが何かを徹底的な解析、検討する必要がある。
トレンチ埋め込み法は、デイープトレンチアイソレーションやＤＲＡＭのトレンチキャパシターをＬＰＣＶＤによりポリシリコンで埋め込む技術をトレンチ埋め込みエピタキシャル技術に発展させた非特許文献１が原点となっていると考えられる。エピタキシャル成長とするために成長温度を６５０℃から８５０℃、成長圧力を１０３Paから１０５Paに高くしている。その為、トレンチ開口部近傍の成長速度が速くなり閉塞が起りやすくなるので、成長途中で１０００℃以上に昇温し塩化水素ガスでトレンチ開口部をエッチバックして広げ、低温化して再び成長をしている。トレンチの深さ４０μｍ、アスペクト比を１２として先端的マルチエピ法を超える特性を目指すもので、トレンチ埋め込み法の可能性を示したものであるが、高温の水素雰囲気で最後にアニールをしてもトレンチ底部に微細なボイドが残り、また、ＲＴＡ装置を用いるため生産性の低下にも課題は残されていた。
トレンチ埋め込み法については、エピタキシャル成長でトレンチを埋め込む時、トレンチ内にボイドが発生すると素子の電気特性の悪化や製造工程に支障をきたすことになるので、ボイドの発生の問題解決が優先されてきた。ボイド発生の問題を解決するための技術的対応としてエピタキシャル成長の反応ガスにハロゲン化物ガスを添加してトレンチ開口部近傍でエッチングやエピタキシャル成長を阻害することにより、トレンチ開口部近傍の成長速度を底部より遅くして閉塞を防ぐというトレンチ埋め込み手法が早い段階で提案されている。（特許文献１、２）成長ガスに塩化水素ガスを添加することでトレンチ部のボイドの発生をある程度抑制出来ることが具体的な結果により示されている。しかし、成長ガスに添加したハロゲン化物ガスがボイド発生の抑制にどのように寄与しいるかの定量的な確認は行われておらず、その現象を原理的に理解して更なる技術的な進展を図るといった状況には至っていない。
前述の特許文献１，２においては、トレンチの埋め込み性の向上のために埋め込みエピタキシャル成長を反応律速条件で行うという提案もされている。塩化水素ガスの添加により開口部に閉塞を起こさない具体的な実施例の提示や事例の説明はされているが、トレンチ埋め込みエピタキシャル成長を反応律速成長とする具体的な方法や有効性について原理的な解説はなされていない。最適なトレンチ埋め込みエピタキシャル条件は、特許文献５に見られるように試行錯誤的に決められ、多数のパラメータを設定して最適条件を決める手法が煩雑なものとなっている。最適条件が存在する範囲を更に絞り込む方策を見出す必要がある。
前述の特許文献１，２においては、トレンチの埋め込み性の向上のために埋め込みエピタキシャル成長を反応律速条件で行うという提案もされている。塩化水素ガスの添加により開口部に閉塞を起こさない具体的な実施例の提示や事例の説明はされているが、トレンチ埋め込みエピタキシャル成長を反応律速成長とする具体的な方法や有効性について原理的な解説はなされていない。最適なトレンチ埋め込みエピタキシャル条件は、特許文献５に見られるように試行錯誤的に決められ、多数のパラメータを設定して最適条件を決める手法が煩雑なものとなっている。最適条件が存在する範囲を更に絞り込む方策を見出す必要がある。
ＳＪＭＯＳでは、トレンチ開口幅、ｐｎコラムのストライプのピッチを狭小化することにより低オン抵抗化が実現される。しかし、これまでの試作では、微細で高アスペクト比のトレンチをボイドの発生を抑制しエピタキシャル成長で埋め込んでＳＪ構造を製作するためには、埋め込みエピタキシャル成長の速度を大幅に低下させる必要があるという結果になっている。これ迄のトレンチ埋め込みＳＪＭＯＳの製造手法の特許提案はボイドの発生を防ぐ手法が主たる内容であって、埋め込みエピタキシャル成長時間を短時間化するための手法について触れられたものは殆どない。具体的な時間が提示されている事例では条件によって60分から200分との報告があるが、（特許文献３）実施例での成長時間の明確な報告は殆ど見出せない。微細なトレンチの埋め込みエピタキシャル成長について、ボイドの発生防止と、成膜時間の短縮を両立する技術提案が望まれる。
以上の状況から、本発明の課題は、現状で広く用いられている枚葉（型）エピタキシャル装置を前提に、これ迄の特許提案のような定性的な議論ではなくエピタキシャル反応機構に基づいた定量的な議論により、マルチエピ法で実現されている以上に微細で高アスペクト比のトレンチをエピタキシャル法により高速成長条件でボイドの発生を抑制して埋め込むことができるかを考察し、その考察に基づいて高性能、低コストのトレンチ埋め込み型ＳＪＭＯＳの具体的な製造方法を提供することにある。
上記課題解決のため、請求項１の発明は、シリコン基板に形成したストライプ状のトレンチを、該シリコン基板と異なる導電型のエピタキシャル層で埋め込むスーパージャンクション構造の製造において、枚葉型反応器による選択エピタキシャル成長法を用いる方法であって、
第一の準備工程で、トレンチを形成する前記シリコン基板と同じ結晶方位のシリコン低抵抗基板１へのエピタキシャル成長が安定的な高速拡散律速成長となる条件を設定し、その時の反応ガスのシリコンソースガス流量とキャリア水素ガス流量条件とその温度での成長速度から前記シリコン基板単位表面へ単位時間に供給されるシリコンソースのモル量を求め、更に成長温度のみを変化させた時の各温度でのシリコンソースの供給量を計算で求め、
第二の準備工程で、前記反応ガスの各流量条件を変えず、前記シリコン基板に形成されたアスペクト比Ａのトレンチを埋め込む選択エピタキシャル成長の温度を１０００土５０℃の好適な温度に下げ、該温度で、第一の準備工程で求めた前記シリコン基板単位表面へ時間当たり供給されるソースのモル量を、その単位表面領域でのアスペクト比Ａのトレンチを埋め込むエピタキシャル成長で時間当たり消費されるソースのモル量が超えない、エピタキシャル成長速度を計算から求め，トレンチが形成される前記シリコン基板と同じ結晶方位のシリコン低抵抗基板２への前記反応ガス条件に塩化水素ガスを添加した前記好適な成長温度での選択エピタキシャル成長の速度が計算から求めた速度となる反応ガスに添加する塩化水素ガス流量を把握し、
前記第一及び第二の準備工程により設定された反応ガス条件と好適な成長温度と把握された塩化水素ガスの添加流量条件を用いた選択エピタキシャル成長方法で前記シリコン基板に形成されたトレンチを埋め込むことにより、トレンチ部の単位表面でシリコンソースの消費量をソースの供給量が上回る反応律速的エピタキシャル成長を進行させることで、ボイドが生じない範囲で高速な成長速度でトレンチを埋め込むことを特徴とするスーパージャンクション構造を有する半導体素子の製造方法であり、拡散律速条件で高速エピタキシャル成長条件を設定することで、基板に時間当たり供給されるシリコンソースのモル量を把握でき、その量が大きい時は高速で反応律速成長が可能となる。トレンチが加工された基板の単位表面ではエピタキシャル成長が行われる面積が平坦な表面のシリコン基板に対しアスペクト比に略比例して増大するので、反応律速的条件が狭くなる。選択エピタキシャル成長で比較的高温で反応律速条件を満たせる成長速度範囲が分かっているので出来るだけ高速な条件で対応することをその要旨としている。（図６参照）
第一の準備工程で、トレンチを形成する前記シリコン基板と同じ結晶方位のシリコン低抵抗基板１へのエピタキシャル成長が安定的な高速拡散律速成長となる条件を設定し、その時の反応ガスのシリコンソースガス流量とキャリア水素ガス流量条件とその温度での成長速度から前記シリコン基板単位表面へ単位時間に供給されるシリコンソースのモル量を求め、更に成長温度のみを変化させた時の各温度でのシリコンソースの供給量を計算で求め、
第二の準備工程で、前記反応ガスの各流量条件を変えず、前記シリコン基板に形成されたアスペクト比Ａのトレンチを埋め込む選択エピタキシャル成長の温度を１０００土５０℃の好適な温度に下げ、該温度で、第一の準備工程で求めた前記シリコン基板単位表面へ時間当たり供給されるソースのモル量を、その単位表面領域でのアスペクト比Ａのトレンチを埋め込むエピタキシャル成長で時間当たり消費されるソースのモル量が超えない、エピタキシャル成長速度を計算から求め，トレンチが形成される前記シリコン基板と同じ結晶方位のシリコン低抵抗基板２への前記反応ガス条件に塩化水素ガスを添加した前記好適な成長温度での選択エピタキシャル成長の速度が計算から求めた速度となる反応ガスに添加する塩化水素ガス流量を把握し、
前記第一及び第二の準備工程により設定された反応ガス条件と好適な成長温度と把握された塩化水素ガスの添加流量条件を用いた選択エピタキシャル成長方法で前記シリコン基板に形成されたトレンチを埋め込むことにより、トレンチ部の単位表面でシリコンソースの消費量をソースの供給量が上回る反応律速的エピタキシャル成長を進行させることで、ボイドが生じない範囲で高速な成長速度でトレンチを埋め込むことを特徴とするスーパージャンクション構造を有する半導体素子の製造方法であり、拡散律速条件で高速エピタキシャル成長条件を設定することで、基板に時間当たり供給されるシリコンソースのモル量を把握でき、その量が大きい時は高速で反応律速成長が可能となる。トレンチが加工された基板の単位表面ではエピタキシャル成長が行われる面積が平坦な表面のシリコン基板に対しアスペクト比に略比例して増大するので、反応律速的条件が狭くなる。選択エピタキシャル成長で比較的高温で反応律速条件を満たせる成長速度範囲が分かっているので出来るだけ高速な条件で対応することをその要旨としている。（図６参照）
請求項２の発明は、第一の準備工程で、前記シリコン基板と同じ結晶方位のシリコン低抵抗基板１へのエピタキシャル成長が拡散律速反応となる１１００～１１５０℃の範囲の成長温度Ｔ１℃で、成長速度Ｘμｍ/minが３．０μｍ/min以上、５．０μｍ/min以下となるように反応ガスのシリコンソースガス流量と水素キャリアガスの流量条件Ｇ１を設定し、第二の準備工程で該反応ガス流量条件Ｇ１を変更することなくアスペクト比Ａのトレンチを埋め込むエピタキシャル成長温度Ｔ2℃を１０００土５０℃の範囲に設定して、反応ガスに塩化水素ガスを添加してトレンチを形成する前記シリコン基板と同じ結晶面のシリコン低抵抗基板２に選択エピタキシャル成長した時の成長速度が［（Ｔ１＋２７３）／（Ｔ２＋２７３）］-３/２
Ｘ／（Ａ＋１）μｍ/min以下となる塩化水素ガスの添加流量を求めて、
前記第一及び第二の準備工程により設定された反応ガスの流量条件、成長温度、塩化水素ガスの添加流量による選択エピタキシャル成長により前記シリコン基板に形成されたトレンチを埋め込むことにより、トレンチ全部位で、シリコンソースの供給量が消費量を上回る反応律速的エピタキシャル成長を進行させることにより、ボイドが生じない選択エピタキシャル成長工程でトレンチを埋め込むことを特徴とする請求項１に記載のスーパージャンクション構造を有する半導体素子の製造方法の一例である。拡散律速成長での成長速度は基板表面に供給されたシリコンソースの全量が直ちにエピタキシャル反応することとシリコンソースの気体中の拡散係数は絶対温度の２分の３乗に比例することから、各温度で基板に供給される拡散律速成長でのシリコンソースの量が求められる。このシリコンソースの供給量を大きくすることでボイドを発生させずに高速なエピタキシャル成長でトレンチを埋め込むことを可能にする。
前記第一及び第二の準備工程により設定された反応ガスの流量条件、成長温度、塩化水素ガスの添加流量による選択エピタキシャル成長により前記シリコン基板に形成されたトレンチを埋め込むことにより、トレンチ全部位で、シリコンソースの供給量が消費量を上回る反応律速的エピタキシャル成長を進行させることにより、ボイドが生じない選択エピタキシャル成長工程でトレンチを埋め込むことを特徴とする請求項１に記載のスーパージャンクション構造を有する半導体素子の製造方法の一例である。拡散律速成長での成長速度は基板表面に供給されたシリコンソースの全量が直ちにエピタキシャル反応することとシリコンソースの気体中の拡散係数は絶対温度の２分の３乗に比例することから、各温度で基板に供給される拡散律速成長でのシリコンソースの量が求められる。このシリコンソースの供給量を大きくすることでボイドを発生させずに高速なエピタキシャル成長でトレンチを埋め込むことを可能にする。
請求項３に記載の発明は、選択エピタキシャル成長により埋め込む前記シリコン基板に形成されたストライプ状のトレンチのピッチが１０．０μｍ以下、且つ、アスペクト比が１０以上である場合、トレンチを埋め込む選択エピタキシャル成長において、トレンチが形成される前記シリコン基板と同じ結晶面のシリコン低抵抗基板２に選択エピタキシャル成長した時の成長速度が１．２Ｘ／（Ａ＋１）μｍ/min以下となる、反応ガスに添加する塩化水素ガスの流量を求めて、その添加流量による選択エピタキシャル成長により前記シリコン基板に形成されたトレンチを埋め込むことを特徴とする請求項２に記載のスーパージャンクション構造を有する半導体素子の製造方法であり、トレンチのストライプのピッチが狭くなり、アスペクト比が大きくなるとエピタキシャル成長で生成する面積当たりの塩化水素ガスが増大し、トレンチ基板表面での塩化水素ガスが高濃度化することへの対応で［００５１］、［００５２］でより詳細な説明をする。（図１０，図１２，図１４参照）
請求項４の発明は, トレンチが形成された前記シリコン基板表面のエピタキシャル成長速度がトレンチの長手方向の側壁の結晶面でのエピタキシャル成長速度よりも高速又は同等となるような結晶面の組み合わせのうち、前記シリコン基板表面が（１００）面、トレンチ側壁が（１００）面、又は、前記シリコン基板表面が（１１０）面、トレンチ側壁が（１１１）面となるようにトレンチを加工した前記シリコン基板を用いることを特徴とする請求項１に記載のスーパージャンクション構造を有する半導体素子の製造方法が要旨である。この対応で開口部に（１１０）面、トレンチ底部に（３１０）といった安定した面が成長して閉塞は起こり難くなる。（図１２参照）
請求項５に記載の発明は、トレンチを形成する反応性イオンエッチングにおいて、生産性に優れた貫通電極用深堀エッチングに用いられるボッシュ法を用い、ボッシュ法に伴うエッチング面に生ずるスキャロップと呼ばれる微小な凹凸を、選択エピタキシャル成長の温度条件を１０００土５０℃として塩化水素ガスの添加流量により反応律速的条件を満たし、シリコンソースのサーフェスマイグレーションが大きいエピタキシャル条件として成長初期に成長面を平滑化することにより、マイクロボイドやミスフィット転位の発生がない良好な結晶品質のエピタキシャル層でトレンチを埋め込むことを特徴とする請求項１に記載のスーパージャンクション構造を有する半導体素子の製造方法が要旨であり,トレンチ側面のテーパー角度の極めて厳密な加工はこの方法では必須でなくなる。
請求項６に記載の発明は、請求項１において、トレンチがエピタキシャル成長により埋め込まれていくとトレンチ部の成長面積が減少し、シリコンソースの時間当たりの消費量が低下するので、その変化に対応して、反応律速的条件を保持できる範囲で塩化水素ガスの添加量を少なくし、或いは、成長温度を上昇させ埋め込みエピタキシャル成長速度を高速にして成長時間を短縮し生産性を向上させることを特徴とする請求項１に記載のトレンチ埋め込みエピタキシャル成長条件を用いるスーパージャンクション構造を有する半導体素子の製造方法を要旨としている。（図１２参照）
技術的検討から、アスペクト比Ａのトレンチ基板へのエピタキシャル成長では基板単位表面での反応面積が平坦な表面のシリコン基板に対し（Ａ＋１）倍になることへの理解が従来欠けていたことが解り、シリコンソースの供給量をその分増やすか成長速度をその分低下させて反応律速的な埋め込み成長条件でトレンチを埋め込むことが必要であることを理解した。その問題を解決するために、トレンチ埋込エピタキシャル成長において出来るだけ時間当たりのシリコンソースの供給量が多くなるように反応ガス条件を設定し、選択エピタキシャル成長における塩化水素ガスの添加条件の設定方法を考案して、選択エピタキシャル成長法によりトレンチ開口部で閉塞を生じさせず高アスペクト比のトレンチを比較的高温、高速で埋め込むことが可能であることを示した。このトレンチ埋め込み法により、更なる高性能なＳＪＭＯＳＦＥＴの実用化を実現できることを具体的に示した。
本実施形態に係る半導体装置については、特許文献を含め多くの文献で説明されている。以下では、プレーナー型ＳＪＭＯＳの構造について、その概要を説明する。最近では微細化に有利なトレンチゲート型のＳＪＭＯＳ構造が用いられるようになっているがトレンチ埋め込み工程以降で素子製造工程が若干異なるだけで、そこに大きな技術課題はないので以下ではトレンチ埋め込み後の平坦化研磨までの工程について説明をする。
図１に示す本実施形態に係る半導体装置は、スーパージャンクション構造を備えた縦形のＭＯＳＦＥＴの構成となっている。このデバイス構造では、半導体基板として、ｎ＋型の単結晶シリコン基板１１上に、ｎ型のシリコンエピタキシャル層１２が設けられている。また、ｎ型エピタキシャル層１２内においては、p型コラム１３と、ｎ型シリコン層１２がストライプ状に交互に配列されたスーパージャンクション構造（ＳＪ構造）が形成されている。ＳＪ構造においてはｐｎコラムそれぞれの幅に対応して不純物濃度が決められる。ｐｎコラムの深さで素子の耐圧がきまる。また、ｐｎコラのピッチを小さく出来れば７×１０１５ａｔｏｍｓ/ｃｃ程度の不純物濃度を更に高くでき低オン抵抗化が実現される。（図２）ｐ型コラム１３は、ｎ型エピタキシャル層１２の上面からｎ＋型シリコン基板１１に近接する所定の深さに形成される。その深さは素子の耐圧を決める。
ｎ型シリコン層１２内に形成されたｐ型コラム１３の直上域には、トレンチの長手方向に延びるｐ型ベース領域１４が形成されている。ｐ型ベース領域１４の上層部分には、トレンチの長手方向に延びる一対のｎ＋型のソース領域１５が相互に離隔するよう選択的に形成されている。ｎ型シリコン層１２上にはｎ型シリコン層１２上には制御電極であるゲート電極１６がゲート絶縁膜１７に包まれるように設けられている。ゲート電極１６は、普通、ドープしたポリシリコンにより形成される。ゲート絶縁膜１７は、多くの場合、シリコン酸化物により形成されている。
ｐ型ベース領域１４と隣のｐ型ベース領域１４に跨るように絶縁膜で覆われたゲート電極１６が形成される。ソース領域１５の端部直上にその端部がくるように配置されている。ゲート電極１６下の酸化膜の厚さは、ソース領域１５とｎ型シリコン層１２の間のｐ型ベース領域部で薄くなっており、それ以外の部分では厚くなっている。ゲート電極１６は上に凸となるような形状となっている。ゲート電極１６間には、ソース電極１８が設けられソース領域に接続されている。ソース電極１８はゲート絶縁膜上にも形成され、各ソース電極間を接続されている。ｎ＋型シリコン基板１１の下面上には、ドレイン電極１９がｎ＋型シリコン基板１１に接続されている。ソース電極１８およびドレイン電極１９は、一般的には金属が用いられる。ゲート構造をトレンチゲート型にしたＳＪＭＯＳについても基本的な構造は大きく変わるものではない。
図３は本実施形態に係る半導体装置の製造工程の前半のトレンチ埋め込み後の表面平坦化研磨までの工程フローと各工程完了段階のウエーハ概略断面図を示したものである。本発明の半導体装置の製造で使用するシリコン基板１は、燐、ヒ素、または、アンチモンが高濃度にドープされたｎ＋型シリコン基板１１上にエピタキシャル成長法により１Ωｃｍ前後の抵抗率のｎ型エピタキシャル層１２を成長させたｎ／ｎ＋型シリコンエピタキシャル基板１を用いることができる。ここで、該基板の表面の面方位は（１００）とすることができる。また、オリフラ方位あるいはノッチ方位を（１００）とすることでウエーハ表面とトレンチ側壁の結晶面方位を（１００）に統一でき、結晶面方位によるエピタキシャル成長速度の差異を考慮しなくて済むので、以下ではオリフラ方位あるいはノッチ方位を（１００）として説明をする。次に、エピタキシャル基板１の表面に、熱酸化膜を形成し周知のフォトリソグラフィー技術により、ストライプ状酸化膜を９形成し反応性イオンエッチングでトレンチを加工する際のマスク酸化膜９とする（図３（ｂ））。
上記方法で形成された酸化膜をマスクとして、例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などのドライエッチング法により、縞状のｐｎコラム構造を形成するための所定の深さのトレンチ２０を形成する（図３（ｃ））。 シリコン貫通電極形成用のボッシュ法のＲＩＥ装置を使用すれば、アスペクト比２０以上で開口幅２μｍ以下の微細なトレンチを高速で高精度に形成することができる。トレンチのエッチング時にポリマーやダメージが残留するので洗浄やエッチング等でそれらを除去し、次工程のエピタキシャル成長において結晶欠陥が発生しないようにする。ボッシュ法ではトレンチ側面にスキャロップと呼ばれる微細な凹凸が生じる。この凹凸は本方法ではエピタキシャル工程中で平滑化する。トレンチ形成工程でマスクとして酸化膜９を用いる。その酸化膜９をトレンチ形成後に湿式エッチングにより除去する方法もあるが、本方法では、酸化膜９を残し選択エピタキシャル成長によりトレンチを埋め込む方法を用いた。この方法を用いると１１００℃の水素雰囲気の熱処理でもトレンチ開口部で変形が起らない等のメリットがあるが、酸化膜とシリコンの熱応力による欠陥が生じやすい等のデメリットが存在する。埋め込みエピタキシャル成長のオーバーグロース層を表面研磨した後にアライメントマークを残せるので、その後のアライメントにとって都合がよいことを考慮して選択している。マスク酸化膜を除去する方法でもよい。
次に、トレンチを形成したエピタキシャル基板２上にｐ型の埋め込みエピタキシャル層１３を気相成長させる（図３（ｄ））。 具体的には、エピタキシャル成長装置内にトレンチ基板２を載置して所定温度（例えば１１００℃、水素雰囲気中）で熱処理し、シリコン表面の自然酸化膜を除去した後、該基板を所定の温度に降下させて、ｐ型埋め込みエピタキシャル層１３を気相成長する。
図４は直径１５０ｍｍから３００ｍｍのシリコン基板に広く用いられている平行平板型枚葉エピタキシャル装置の断面概略図の一例を示したものである。図４に示すように、気相成長装置は、天板２２と、シリコン基板を水平に載置するウエーハ載置部と、側壁部とによって、各々、上面、下面、側面が画成された反応室にウエーハ３１を載置して回転しながらエピタキシャル成長を行うエピタキシャル成長装置であり、その一端に形成されたガス導入口２４からエピタキシャル成長のための反応（原料）ガスが反応管内に導入される。反応ガスは反応管内部空間を水平かつ一方向に層流条件で流れることにより厚さが略一定の境界層（ｂｏｕｎｄａｒｙ ｌａｙｅｒ）３２が形成される。ウエーハ載置部のサセプター２３上にシリコン基板３１が１枚載置されサセプター２３と共に回転する。また、反応ガス導入口２４の反対側にガス排出口２９が形成されている。導入された反応ガスは、シリコン基板の表面上を所定の流速で通過した後、エピタキシャル反応で消費されなかったガスと反応生成ガスが、ガス排出口２９から排気される。
ここで、シリコンソースガスは、例えばトリクロロシランガスを使用することができる。このトリクロロシランガスは、液体のトリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）中に水素ガスをバブリングさせて一定濃度の混合気体とし、マスフローコントローラにより流量を調整しつつ、キャリア水素ガスと混合して３％～８％程度の濃度に希釈され反応管に導入される。ドーパントガスとして水素ガスに一定の濃度に希釈された微量のジボラン（Ｂ２Ｈ６）がマスフローコントローラにより調整されて、同様に希釈用の水素ガスと混合される。更に、塩化水素ガスもマスフローコントローラにより調整されて、同様に希釈用の水素ガスと混合される。これらのガスが混合された反応ガスは反応容器内に層流が形成されやすくなるように多数の導入口から送り込まれる。
そして、シリコン基板３１はサセプター２３とともに回転駆動され、さらにハロゲンランプ２１により上面、下面から所定の温度に加熱されながら、反応ガスの供給を受けて、トレンチ内にエピタキシャル層が形成される。反応容器内の圧力は常圧、或は、７３０ｔｏｒｒから７５０ｔｏｒｒの微減圧となるように設定される。本方法では常圧条件前提で説明するが７０ｔｏｒｒ程度の減圧条件まで圧力を下げてエピタキシャル成長をおこなうことも可能である。本方法ではトレンチ埋め込みエピタキシャル成長は１０００℃でおこなった。トレンチ部でコンフォーマルな成長を実現するために好適な温度である。温度測定は輻射温度計３３が主に用いられるが、酸化膜を残した表面では輻射率が変わるので補正が必要である。出来るだけ１０００℃に温度設定するよう配慮することで成長条件を安定させることができ、ボイドの発生を防ぐことができる。
従来のトレンチ埋め込み型のＳＪＭＯＳの製造においては、図３（ｄ）のトレンチ２０をエピタキシャル成長で埋め込む工程で、トレンチ開口部８での閉塞によるボイドの発生を防止するための対策により成長速度を遅くせざるを得なくなり低コストの生産が実現されていなかった。この工程が最大の課題となっているので、本発明のトレンチ埋め込みエピタキシャル成長技術を確立するに至る考察の過程を詳細に説明しながら本方法を具体的に説明していく。先ず、エピタキシャル成長機構について用語の統一をしながら説明し、ボイドの発生とエピタキシャル成長条件の関係について説明し、同時にトレンチをエピタキシャル成長で埋め込む際、ボイドの発生防ぎつつ成長速度を最大限にする手法について具体的な説明をする。
現在、広く用いられている平行平板型枚葉エピタキシャル装置を前提にしたエピタキシャル成長の反応機構の概要を図５に示した。反応ガスを層流条件で反応管内を流し、境界層の厚さが一定となる領域に載置されたウエーハにメインガスフローから境界層中を拡散してシリコンソースをシリコン（鏡面）基板に輸送する。シリコン基板表面に到達したシリコンソースは吸着し、サーフェスマイグレーションで成長点に至り化学反応し結晶格子に組み込まれ、一定速度でエピタキシャル成長が進む。この時、境界層を拡散してシリコン基板表面に輸送されるシリコンソースの流速F1は次式で示される。
ここでｈＧ＝Ｄ/δは輸送係数である。ＣＧはメインガスフロー（反応ガス）中の、ＣＳは基板表面のシリコンソースの濃度である。基板表面に到達したシリコンソースは、吸着しサーフェスマイグレーションにより結晶成長点に至り化学反応し結晶格子に取り込まれる。この化学反応(結晶成長)で単位時間に消費されるシリコンソースの量F2は次式で表すことができる。
ここでｋＳ＝ｋ０
(‐Ea/kT)は表面反応係数である。Eaは反応の活性化エネルギー、ｋはボルツマン定数である。エピタキシャル成長中はＦ１＝Ｆ２となるので成長速度ｖは次式で示すことができる。
ここでＮはシリコン単結晶の原子密度である。
ｈＧ≫ｋＳの場合には、ｖ≒ｋＳ・ＣＧ／Ｎ≒ＣＧ・ｋ０exp (‐Ea/kT)／Ｎとなり、エピタキシャル成長の速度は基板表面での化学反応の速度によって決まるようになる。所謂、反応律速エピタキシャル成長となる。このとき基板表面のシリコンソースの濃度Ｃsはメインガスのシリコンソース濃度ＣＧに近くなる。ｋＳ≫ｈＧの場合には、ｖ≒ｈＧ・ＣＧ／Ｎ≒（Ｄ／δ）・ＣＧ／Ｎとなり、エピタキシャル成長の速度は境界層の厚さとその中のシリコンソースの拡散速度によって決まる。所謂、拡散律速エピタキシャル成長となる。このとき基板表面のシリコンソースの濃度Ｃsはゼロに近い濃度になる。これらの二つのケースは極端な場合であり、実際のエピタキシャル成長では比率は異なってもｈＧとｋＳ双方に影響されることも理解しておく必要がある。
ここまでのエピタキシャル成長機構については平坦な表面に垂直な方向へのシリコンソースの輸送を考えて成長速度がどのようになるかを検討してきた。また、これまでのトレンチ埋め込み型ＳＪＭＯＳのエピタキシャル成長に関する特許出願においては、埋め込みエピタキシャル成長を反応律速にして閉塞を防ぐという提案が多くある。しかし、平坦でないステップ形状やトレンチ形状の表面をもつ基板へのエピタキシャル成長ではシリコンソースの輸送を一方向に限定して成長速度を考えることができなくなる。トレンチ基板にエピタキシャル成長するとき、トレンチ全ての部位で成長速度が同じになるとは限らなくなるので、成長反応の律速性を一義的に判断することができなくなる。ボイドの発生が無い高速のトレンチ埋め込みエピタキシャル成長の最適な条件を決める有効なパラメータが不明確であるため試行錯誤的に模索されてきた。（特許文献５）
ステップやトレンチ形状の基板表面への薄膜の堆積における膜形状については、様々な成膜法についてステップカバレッジの問題として検討されてきている。シリコンのエピタキシャル成長の場合でもシリコンソースの気相中の輸送現象や表面での反応種の挙動を２次元、３次元的に考察する必要があり議論は複雑になる。以下では定量的な考察をおこなうために、シリコン基板へのエピタキシャル成長の反応機構をベースに近似的考察を進める。２００ｍｍφ以上のシリコン基板に広く用いられる平行平板型のシリコン枚葉エピタキシャル装置を用いた場合、図５に示した境界層の厚さδは１０～１５ｍｍ程度となることがシミュレーションで知られている。それに対して比較的高耐圧の６００Ｖ級ＳＪＭＯＳではそのトレンチの深さは５０μｍ前後で設計される。境界層を通して基板表面に垂直方向のシリコンソースの流速Ｆ１或いは、輸送係数ｈＧ（＝Ｄ／δ）はトレンチ開口部８に対しトレンチ底部７では０．９９以上となる垂直方向の輸送に関してはトレンチ開口部と底部への輸送はトレンチ基板も平坦な表面のシリコン基板も同等と近似することができる。
トレンチ基板でのエピタキシャル成長は、表面とトレンチ底面と側壁で成長反応が進む。トレンチ部の温度は一定であるので結晶面方位が同じならば、トレンチ側壁の表面反応係数ｋsはシリコン基板表面と同じになる。トレンチ基板へのエピタキシャル反応では、表面に水平方向の輸送も考慮する必要がある。トレンチ基板でもトレンチ加工前のシリコン基板の表面積Ｓの領域に境界層を通して単位時間に垂直方向から供給されるシリコンソースの最大モル量（Ｃs＝0の時）は同じである。しかし、トレンチ基板ではその表面積Ｓの領域においてエピタキシャル成長が起る面積は大きく異なる。図６に示すようにアスペクト比Ａのトレンチ基板では反応面積が酸化膜9を除去した場合にはシリコン基板の（Ａ＋１）倍になる。
垂直方向の輸送に関してはトレンチ基板を平坦なシリコン基板に近似することができるが、それと同時にエピタキシャル成長に係る基板の実効表面積がシリコン基板の（Ａ＋１）倍であると近似する必要がある。
垂直方向の輸送に関してはトレンチ基板を平坦なシリコン基板に近似することができるが、それと同時にエピタキシャル成長に係る基板の実効表面積がシリコン基板の（Ａ＋１）倍であると近似する必要がある。
もし、時間当たり、境界層を通して供給されるシリコンソースのモル量が、トレンチ領域でのエピタキシャル成長で消費されるモル量より少なくなるｈＧ＜(Ａ＋１)ｋsとなる場合は、トレンチが形成された基板表面でＣsは０に近い値となり、成長は拡散律速的になる。このような状況になると境界層を通ってトレンチ基板表面に輸送されてきたシリコンソースはトレンチ開口部コーナーに到達する比率が大きくなる。Ｃsがゼロにならなくてもトレンチ開口部上部からシリコンソースはトレンチ側壁のエピタキシャル成長で消費されてＣｓは底部に向かって減少する。その結果、開口部近傍での成長が速くなり閉塞が起るようになる。トレンチ基板表層でそのような拡散律速的な反応が起らないようにするためには、ｈＧ＞(Ａ＋１)ｋsとする必要がある。この条件を満たすためには、境界層を通して単位時間当たり単位表面積Ｓに供給されるシリコンソースの最大モル量をシリコン基板への反応律速的エピタキシャル成長の場合に対して（Ａ＋１）倍以上にするか、トレンチ部の表面反応係数ｋs、つまり、成長速度を１／(Ａ＋１)にする必要がある。これまでのトレンチ埋め込みエピタキシャル成長の技術検討ではこの点についての認識が無かった。
図7に広く用いられている平行平板型の枚葉エピタキシャル装置を用いたシリコン（鏡面）基板へのエピタキシャル成長の代表的なアウレニウスプロットを示した。成長速度ｖは、ｖ≒ｋＳ・ＣＧ／Ｎ、ｖ≒ｈＧ・ＣＧ／Ｎと近似できる。破線Ｆ１
＊はシリコンソースの拡散係数が絶対温度の２分の３乗に比例するので、高速成長反応のガス条件の２例について各温度における基板に供給されるシリコンソースの最大量ｈＧ・ＣＧ を成長速度で示している。実用化されているアスペクト比１０のトレンチをｈＧ・ＣＧ＞(Ａ＋１)ｋs・ＣＧとなる反応律速的なエピタキシャル成長で埋め込むためには、成長温度を９００℃に下げた場合、１１５０℃での反応ガス条件を４．０μｍ／minとなるようにしても十分とは言えず、６．０μｍ／min程度となる反応ガス条件が必要となる。この成長速度は限られたエピタキシャル装置でなければ実現できない成長速度である。成長温度を９００℃以下にして成長速度を下げ条件を満たしても、その温度では良好な品質のエピタキシャル層は得られない。
エピタキシャル成長反応を遅くする手法として、成長温度を下げること以外に、エピタキシャル反応の生成ガスである塩化水素ガスを反応ガスに添加する方法がある。酸化膜をマスクとする選択エピタキシャル成長は以前からおこなわれてきた。特に、酸化膜上では核成長が起こり難くなりエピタキシャル成長がシリコン結晶の露出部分だけで進むようにできる。トリクロロシランを原料とするエピタキシャル反応は次式で表される。
この反応は逆反応も起こる平衡反応であるが、反応領域（基板表面近傍）へ一定の濃度のＳｉＨＣｌ３が供給されてエピタキシャル成長が進み、生成ガスの塩化水素ガス（ＨＣｌ）がその領域から同時に排出され、一定速度で反応が進行する非平衡定常反応である。反応ガスにＨＣｌガスが添加されると生成ガスのＨＣｌが境界層を拡散して反応炉外への排出される速度が低下し、エピタキシャル反応起こる基板表面のＨＣｌガスが高濃度となり、逆反応の速度ｋ-１は［ＨＣｌ]３に比例して高くなることからエピタキシャル反応は遅くなる。（ルシャトリエの原理）一定温度下でＳｉＨＣｌ３の供給条件を変えずにＨＣｌを添加することにより成長速度を１桁以上低下させることができる。
図８に塩化水素ガスを添加した反応ガスによりシリコン(鏡面)基板にエピタキシャル成長した時の成長速度と添加量の関係の例を示した。ＳｉＨＣｌ３と同程度の流量のＨＣｌガスを添加した時、成長速度は１０分の１以下に低下する。平行平板型のエピタキシャル装置を用いた図８の場合、反応ガスの流量は７０Lから７５L程度に設定されているので、ＨＣｌガス添加時の反応ガス総流量の増加、ＳｉＨＣｌ３の濃度ＣＧの低下は５％以下である。塩化水素を添加することで、成長温度を変化させずにエピタキシャル成長において、シリコンソースの供給量と成長速度を独立に制御できることが理解される。
ＣＶＤのステップカバレッジの教科書ではＣＶＤの条件と堆積膜の形状について図１０のように纏められている。サーフェスマイグレーションがコンフォーマルな膜形状を得るために重要であることが解る。シリコンのエピタキシャル成長でサーフェスマイグレーションが殆ど起こらない状況は、シリコンソースが基板に到達した時、高温ではｋＳ≫ｈＧ、Ｃs≒0となりサーフェスマイグレーションが起る前に直ちに反応しシリコン原子が結晶格子に取り込まれる拡散律速的反応（図１０（ｃ））か、低温でサーフェスマイグレーションが殆ど起こらない状態の何れかである。自然酸化膜が除去されていれば水素雰囲気下で９００℃より高温になっていくとシリコン原子のサーフェスマイグレーションが徐々に活発化し、面粗さの低下、つまり、表面積の低下による表面エネルギーの低下が始まり、１１００℃では１，２分でトレンチ開口部の曲率が低下し閉塞が起こる現象（シリコン・オン・ナッシング）が観察されることが知られている。９００度～１１００℃の温度領域の反応律速的成長で図１０（Ａ）のようなコンフォーマルな成膜が実現されると考えられる。
以上の検討から、１１５０℃前後の拡散律速成長となる高温Ｔ1℃において、ある反応ガス条件下でのシリコン(鏡面)基板へのエピタキシャル成長速度がＸμｍ/ｍｉｎであるとき（請求項２の第1の準備工程）、反応ガス条件を変えることなく成長温度を１０００℃前後のＴ２℃に下げて選択エピタキシャル成長をおこなったときのシリコンソースの基板表面への供給量は［（Ｔ１＋２７３）／（Ｔ２＋２７３）］-３/２Ｘ μｍ/ｍｉｎとなる。前記条件の反応ガスに塩化水素ガスを添加してシリコン基板に選択エピタキシャル成長した時の成長速度が［（Ｔ＋２７３）／（Ｔ２＋２７３）］-３/２Ｘ／（Ａ＋１） μｍ/ｍｉｎより低くなる流量の塩化水素（請求項２の第２の準備工程による）を反応ガスに添加してアスペクト比Ａのトレンチ基板に選択エピタキシャル成長をすることにより、トレンチが形成された基板への選択エピタキシャル成長においてシリコンソースの供給量が消費量上回るようにすることができることが解る。選択エピタキシャル成長の成長温度は９００度～１１００℃の間にある必要があるが、９５０℃～１０５０℃の範囲であることが望ましい。
トリクロロシランを水素ガスに混合した反応ガスに塩化水素ガスを添加して選択エピタキシャル成長でトレンチを埋め込んだ場合、シリコン基板へのエピタキシャル成長と比較してトレンチ部の局所的な成長速度が遅くなることが成長途中のトレンチを断面ＳＥＭで観察した結果等で確認される。トレンチ部において基板表面積あたりエピタキシャル成長で消費されるシリコンソースの量がアスペクト比に対応して大きくなることから、反応生成物のＨＣｌガスの基板表面積当たりの発生量も大きくなる。ＨＣｌガスは境界層を拡散してメインガスフローに流入し反応室から排出されるので、エピタキシャル成長がおこなわれる境界層基板側のＨＣｌガス濃度はシリコン基板の場合より高くなる。トレンチ深さが４０～５０μｍ、ｐｎコラムのピッチ１０μｍ以下、アスペクト比が１０から２０のトレンチ基板では、請求項２の第２準備工程での反応ガスへのＨＣｌの添加量を成長速度が１．２Ｘ／（Ａ＋１）μｍ/ｍｉｎ以下になる条件で決定すればボイドの発生が起らないことが経験的に知られている。（図１４参照）又、例えば、トレンチの幅が1μｍ以下、深さが1０μｍ以下、耐圧が１００Ｖ前後の低耐圧ＰＭＯＳをトレンチ埋め込み型ＳＪＭＯＳで製造する場合や、トレンチ深さが８０～１００μｍの耐圧１０００Ｖ前後のＳＪＭＯＳを製造する場合には境界層基板側のＨＣｌガス濃度を計算で求められないので、最適なＨＣｌの添加量は経験的な方法で決定する必要がある。
これ迄のトレンチ埋め込み型ＳＪＭＯＳの製造技術開発では、反応ガスにハロゲン化物ガスを拡散律速条件で添加してエピタキシャル成長と並行して開口部近傍でエッチングや成長を阻害してトレンチ底部より開口部の成長速度小さくして閉塞が起こらないようにするという手法が提案され具体的方策が検討された。しかし、それが実現されていることの確認は成長速度の測定が難しく明確にはなされていない。塩化水素ガスを添加し、ジクロロシランやトリクロロシランをソースとする場合には、図１０に示したように、生成物のＨＣｌガスがトレンチ内に充満し開口部から境界層を拡散し反応炉から排出されるので、トレンチ開口部付近の成長速度を底部より低くすることは原理的に無理と考えられる。
トレンチが形成された基板を選択エピタキシャル成長で埋め込む時、シリコン基板での成長速度が［（Ｔ１＋２７３）／（Ｔ２＋２７３）］-３/２Ｘ／（Ａ＋１）μｍ/min以下となる、ように反応ガスへのＨＣｌガスの添加流量を決定したが、トレンチの基板の実効反応面積が大きくなると反応領域の塩化水素ガス濃度がシリコン鏡面基板の場合より高くなり、成長速度が多くの場合１．２Ｘ／（Ａ＋１）μｍ/ｍｉｎ以下になるＨＣｌガスの添加流量で良いことが経験的に判った。また、これ迄トレンチ基板全面にトレンチが形成されていることを前提にしていた。しかし、トレンチをＲＩＥによりエッチングする際マスクとして用いた酸化膜を残した場合や、素子周辺部やスクライブライン等のトレンチが形成されない部分があるの場合や、マスクパターン等の状況に対応するために若干の調整が必要になることもある。
トレンチ埋め込みエピタキシャル成長は単結晶にトレンチを加工してエピタキシャル成長で埋め込むので、そのために有利な結晶面の選択が重要であることを［００１９］で大まかに説明をしている。ボイドが発生しないようにトレンチを高速なエピタキシャル成長で埋め込むことが最大の課題である。主要な結晶面でのエピタキシャル成長速度は（１１０）＞（１００）＞（１１１）となる。成長速度の速い面では成長面へのシリコンソースの供給速度が同じであれば、成長速度の速い面のシリコンソースの濃度が低くなる。図１１に示したように結晶面の異なる面が隣接しているとサーフェスマイグレーションにより表面のシリコンソースの高濃度面から低濃度の面にシリコンソースが拡散して結晶に取り込まれるのでその部分の成長速度が速くなる。（１００）表面／（１１０）側面の構造では接合部に（１１１）面が生じ、そこから表面濃度の低い（１１０）側に多くのシリコンソースがサーフェスマイグレーションしてトレンチ側壁上部に成長速度の速い部分が生じてボイドの発生の原因となる。表面、側壁が共に（１００）面の場合は、接合部に（１１０）が生じ、側壁（１００）の上部に成長速度の速くなる部位は生じないのでトレンチ開口部で閉塞が加速されることはない。酸化膜があっても状況は変わらない。埋め込みエピタキシャル成長中にサーフェスマイグレーションが程々大きい時には、トレンチ開口部にエネルギー的に安定な（１１０）が形成され、トレンチ底部ではコーナー部での表面積が小さくなるように成長が進み（３１０）が形成されてボイドが発生し難い形状となり、トレンチの埋め込みが進んでいく。
本方法によれば、反応性イオンエッチングで基板にディープトレンチを形成する手段に、貫通電極形成に採用されされているトレンチを高速でエッチングすることができるボッシュ法を用いることができる。ボッシュ法に特有な微小な凹凸であるスキャロップのみでなく、トレンチの側面の角度を極めて厳密に加工しなくても、サーフェスマイグレーションが適度の大きさを持つようにするので、表面エネルギーが低下、安定するために表面積が小さくなるようにトレンチが埋め込まれていく。トレンチ開口部で曲率が低下して閉塞が生じることがなければ、ボイドが発生することなく、トレンチ内の表面積が小さくなり、やがて平坦化されるように埋め込まれていく。
サーフェスマイグレーションが大きい１０００℃のエピタキシャル成長条件でトレンチが埋め込まれていく時、図１２にトレンチ埋め込み工程の初期、中期、終了時の断面概略図と中期の断面ＳＥＭ写真を示した。表面エネルギーが低下するように底部の角から埋め込まれていくことが断面ＳＥＭにより観察される。又、表面、トレンチ側壁が共に（１００）面の場合トレンチ底部では表面エネルギーの低い（３１０）面、トレンチ開口部では（１１０）面が形成される。トレンチ部の反応面積が徐々に低下していくので、成長速度を高くしてもシリコンソースのトレンチ部での消費量が境界層を通してトレンチ部に供給されるシリコンソースの量を上回らないようにできる。このことを考慮して適切な条件で塩化水素ガス濃度を低下させていくなり温度を上げることによりトレンチ部の埋め込み状態に応じて成長速度をあげて短時間でボイドが発生しないように埋め込むことができる。このような対応により、マルチエピ法より優れた生産性、低コストでＳＪＭＯＳの製造が可能になる。
このようにして求められた選択エピタキシャル成長条件下で、１０００℃近傍の温度においてトレンチ埋め込みエピタキシャル成長を行うと、トレンチの内部がエピタキシャル層で徐々に埋まっていき、最終的にトレンチ全体がエピタキシャル層１３で埋め込まれる。基板全面でトレンチ部がエピタキシャル層で埋め込まれた後も、さらにエピタキシャル成長を続けてオーバーデポをおこなうと図３（ｄ）に示すように、トレン上部から酸化膜上にエピタキシャル層が広がる。酸化膜が無い場合はサーフェスマイグレーションにより表面エネルギーを小さくなるように表面が平坦になっていく。埋め込みエピタキシャル成長の適切な終点はトレンチの形状や成長速度の面内バラツキにより決まるので、最初は外観を観察しながら判断して決定する。
次に、トレンチ５の開口部の上方に形成されたオーバーデポ層を、コロイダルシリカを用いたメカノケミカル研磨により除去する。この時、トレンチ上部の酸化膜は研磨のストッパーとして働き、酸化膜上のシリコンを研磨で除去した段階で図３（e））のようになる。この段階のアライメントマークをもとに図３（ｆ）で利用できる新たなアライメントマー
クを形成することができる。酸化膜を湿式エッチングで除去して１μｍ～２μｍのシリコンの段差を研磨で除去することで、平坦な表面を持つ図３（ｆ）のような基板が得られる。酸化膜を完全に除去してトレンチ埋め込みエピタキシャル成長をおこなった場合には、トレンチ幅程度のオーバーデポで平坦な表面が得られる。それ以降は、アライメントに関する工夫で、ｐウエルをｐ型トレンチ上に形成し、以降は通常のPMOSの製造工程によりＳＪＭＯＳの製造工程を進めることができる。
クを形成することができる。酸化膜を湿式エッチングで除去して１μｍ～２μｍのシリコンの段差を研磨で除去することで、平坦な表面を持つ図３（ｆ）のような基板が得られる。酸化膜を完全に除去してトレンチ埋め込みエピタキシャル成長をおこなった場合には、トレンチ幅程度のオーバーデポで平坦な表面が得られる。それ以降は、アライメントに関する工夫で、ｐウエルをｐ型トレンチ上に形成し、以降は通常のPMOSの製造工程によりＳＪＭＯＳの製造工程を進めることができる。
以下、本発明の実施例により本発明をより具体的に説明するが、これらに限定されるものではない。本発明では、成長圧力を下げることで、トレンチ深さを１００μｍ程度まで深くすることも、１０μｍ以下の微細な浅いトレンチにも対応可能である。
２００ｍｍφの（１００）ｎ＋型シリコン単結晶基板１１上にエピタキシャル成長法により１Ωｃｍ前後の抵抗率、厚さ５５μｍのエピタキシャル層１２を成長させ、ｎ／ｎ＋型シリコンエピタキシャル基板１を準備した。この基板１は、表面方位及びノッチ方位が共に（１００）のものである。次に、基板１の表面に、酸化膜を形成し、フォトリソグラフィーにより、酸化膜マスクパターンを形成した後、側壁、底面の結晶方位が（１００）であるトレンチ２０をＲＩＥ（ボッシュ法）により深さが５０μｍとなるように形成した。トレンチの線幅は、３．０μｍ、４．５μｍ、６．０μｍ（ピッチ幅はそれぞれ６μｍ、９μｍ、１２μｍ）である。エッチング終了後に、ポリマー洗浄とＳＣ１洗浄により、ダメージを除去しマスク酸化膜はそのまま残して次工程を進めた。
本方法では、トレンチ２０をエピタキシャル成長で埋め込む工程ではシリコン低抵抗（鏡面）基板へのエピタキシャル成長による二つの準備工程を先ず実施する。高温の拡散律速条件でのエピタキシャル成長速度は時間当たりシリコン基板に供給されるシリコンソースの供給量である。その供給量が大きくなる反応ガス条件と具体的な供給量を把握する第一工程と、前記成長ガス条件下で成長温度をトレンチ埋め込みエピタキシャル成長に好適な温度に下げた時の基板単位表面へのシリコンソースの供給量を第一工程で求めた実測値から計算により求め、アスペクト比Ａのトレンチ基板を前記好適な温度で選択エピタキシャル成長により埋め込む際に、基板単位表面に時間あたり供給されるシリコンソースの量をその領域の選択エピタキシャル成長で時間あたり消費されるシリコンソースの量が超えない成長速度に下げるために前記反応ガスに添加する塩化水素ガスの流量をシリコン基板へのエピタキシャル成長により求める第二工程をおこない、この二つの工程で求められた前記成長ガスと添加塩化水素ガス流量を用いた成長条件によりトレンチ２０を選択エピタキシャル成長で埋め込むことを特徴としている。（図９参照）
図４と類似のアプライドマテリアルズ社製エピタキシャルリアクター（センチュラ）を用い、第一の準備工程を進めた。ｎ＋（１００）鏡面ウエーハ上に１１５０℃でエピタキシャル成長速度Ｘμｍ／ｍｉｎが５．０μｍ／ｍｉｎ以上となるようなエピタキシャル成長ガス条件を求めた。量産では成長速度５．０μｍ／ｍｉｎ以上の高速成長は反応管へのポリシリコン付着が問題になりそのような条件は用いられないのが一般的であるが、トレンチ埋め込みエピタキシャル成長は１０００℃で行うので反応生成物の反応管への付着問題は軽微である。シリコンソースは高濃度のソースの供給に有利なトリクロロシランを用いた。液体のトリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）中に水素ガスをバブリングさせて水素ガスに濃度２０％のトリクロロシランを含有する混合ガスをシリコンソースガスとして用いた。キャリア水素ガスを５０ｓｌｍに設定し、そこに前記シリコンソースガスを混合して、成長速度Ｘμｍ／ｍｉｎが５．０μｍ/minとなるシリコンソースガスの流量５Ｍｓｌｍを求めた。成長圧力条件は７５０torrの微減圧下でおこなった。水素ガスに希釈した微量のジボランも供給ガスに添加し、エピタキシャル層の抵抗率が１Ωｃｍ前後となるようにした。、その混合ガスの流量を調整はマスフローコントローラを用いて行った。エピタキシャル層の面内膜厚分布は土２．５％以下、抵抗率の面内分布は土３，５％以下になっていることを確認した。高速成長条件は基板表面へのシリコンソース流速を大きくし反応律速的埋め込み成長を高速で行うことを可能にする。
次に第二の準備工程を進めた。新たなｎ＋（１００）シリコン基板をエピタキシャル装置に仕込み、温度を１１００℃に上昇して３分間水素雰囲気でプレアニールを行った後、１０００℃に温度を低下させて、前記１１５０℃でのエピタキシャル成長時と反応ガスの流量条件（キャリア水素ガス５０ｓｌｍと水素ガスに２０％のトリクロロシランが含有されたシリコンソースガス５Ｍｓｌｍ）を変えることなく、そこに塩化水素ガスを添加してシリコン基板に対する成長速度が０．１５μｍ／ｍｉｎ、０．３０μｍ／ｍｉｎ、０．４５μｍ／ｍｉｎ、０．６０μｍ／ｍｉｎとなる各々の成長速度に対応する塩化水素ガス流量Ｈｓｌｍを求めた。
前記第一、第二の準備工程により求めたエピタキシャル成長条件により、トレンチ開口幅が３．０μｍ、４．５μｍ、６．０μｍの３種類のトレンチ形成基板に、シリコン基板に対する成長速度が０．１５μｍ／ｍｉｎ、０．３０μｍ／ｍｉｎn、０．４５μｍ／ｍｉｎ、０．６０μｍ／ｍｉｎとなる前項で求めた各流量Ｈｓｌｍの塩化水素ガスを添加した反応ガス条件で、各条件につき４枚のトレンチ形成基板に選択エピタキシャル成長によりトレンチを埋め込んだ。その際、所定の量のジボランを添加することにより、埋め込みエピタキシャル領域をp型１Ωｃｍ程度になるようにして、後に走査型電子顕微鏡で観察する際、僅かなエッチング量となる欠陥エッチングを行いｐ型、ｎ型の境界と欠陥の位置関係が判るようにして観察をした。エピタキシャル層の抵抗率の厳密な制御は行っていない。また、途中の状態を確認するために、トレンチ開口幅が４．５μｍの予備の基板について埋め込みエピタキシャル成長を途中で中断したものを準備した。
エピタキシャル成長工程では、トレンチ基板をサセプター２３に載置した後、水素雰囲気中でウエーハの温度を１１００℃に短時間昇温して自然酸化膜を除去した後に、１０００℃に温度を下げ、既に求められている条件で各ガスをエピタキシャル成長中変えることなく供給し、選択エピタキシャル成長によりトレンチを埋め込んだ。成長時間はトレンチ開口幅、アスペクト比よって変わるので、酸化膜上にエピタキシャル膜が成長し始めた時点で、ウエーハ外周部と中心部のバラツキを見ながら適当な時点で各条件について埋め込みエピタキシャル成長の終点を決め、冷却し取り出した。埋め込みエピタキシャル成長の時間は、シリコン基板への成長速度を側壁の成長速度としてトレンチ幅から予想される時間の１．５～３倍の成長時間が必要であった。
前項で各種のトレンチ形状の基板をエピタキシャル成長で埋め込んだウエーハを各条件につき３枚ずつウエーハ中心と一直線上のR／２と外周１０ｍｍの計５点からチップを切り出し劈開して、トレンチの位置が分る様にするために欠陥エッチングを行った後、走査型電子顕微鏡を用いてボイドの発生状況を観察した。ＳＥＭではトレンチのピッチにより観察できるトレンチの数が異なるが、視野範囲のすべてのトレンチにボイドが観察されなかったものを良品とした。その結果を図１４に示した。ここで、各ウエーハ５点の測定点について、〇はボイドの発生が全く見られなかったもの、△は一部の測定点でボイドが見られたもの、×は大半の測定点でボイドがみられたものである。カッコ内に示した分数の分子は５か所のうちボイドが見られなかった位置の数である。△のものでのボイドの発生は大半が外周１０ｍｍより外側でおきていた。参考のために、１．２Ｘ／（Ａ＋０．５）、この場合は６μｍ／ｍｉｎをアスペクト比に０．５を加えた値で割った成長速度の値を破線で図に示している。成長を途中で止めたトレンチ開口幅が４．５μｍの基板を劈開してＳＥＭ観察を行った結果は図１３に示した。
この結果から、１１５０℃で５．０μｍ/ｍｉｎの高速成長のガス条件に塩化水素ガスを添加して、１０００℃での成長速度をトレンチのアスペクト比Ａとしたとき１．２Ｘ／(Ａ＋0.5)以下の成長速度のエピタキシャルの成長条件でトレンチを埋め込むことでボイドの発生なしにエピタキシャル成長で埋め込むことができることが確認された。同時に、トレンチ幅が３μｍ、深さが５０μｍのトレンチを、ボイドが発生しないと考えられるシリコン基板への成長速度が０．３０μｍ/ｍｉｎとなるエピタキシャル成長条件で埋め込むと、実際にボイドは殆ど発生しないことが確認できた。成長時間はオーバーデポを含めて２０～３０分であった。これ迄特許公報で報告された僅かなトレンチ埋め込みエピタキシャル成長時間と比較して、１／４から１／２以下の成長時間であると考えられる。
残りの1枚のウエーハについては、コロイダルシリカ系研磨剤を用いてオーバーデポ層を研磨により除去し、その後、酸化膜を湿式エッチングで除去した後、再研磨して鏡面状態とした。欠陥エッチングを行って、その基板の表面の結晶性を光学顕微鏡により調べた。ボイドは観察されず、酸化膜起因のスリップ転位が一部で僅かに観察されたが、積層欠陥密度は通常のエピウエーハと変わらないレベルであることを確認した。
１ エピタキシャル基板、2トレンチ基板、７ トレンチ底部、８ トレンチ開口部、９ マスク酸化膜、１１ｎ+型シリコン基板、 １２ n型エピタキシャル層、１３ ｐ型埋め込みエピタキシャル層、１４ ｐウエル、１５ ソース, １６ ゲート電極、１７ ゲート絶縁膜、１８ ソース電極、１９ ドレイン電極、２０ トレンチ、２１ ハロゲンランプ、２２ 天板、２３ サセプター、２４ ガス導入口、２５，リフトピン、２９ ガス排出口、３１ シリコン基板、３２ 境界層、３３、輻射温度計
Claims (6)
- シリコン基板に形成したストライプ状のトレンチを、該シリコン基板と異なる導電型のエピタキシャル層で埋め込むスーパージャンクション構造の製造において、枚葉型反応器による選択エピタキシャル成長法を用いる方法であって、
第一の準備工程で、トレンチを形成する前記シリコン基板と同じ結晶方位のシリコン低抵抗基板１へのエピタキシャル成長が安定的な高速拡散律速成長となる条件を設定し、その時の反応ガスのシリコンソースガス流量とキャリア水素ガス流量条件とその温度での成長速度から前記シリコン基板単位表面へ単位時間に供給されるシリコンソースのモル量を求め、更に成長温度のみを変化させた時の各温度でのシリコンソースの供給量を計算で求め、
第二の準備工程で、前記反応ガスの各流量条件を変えず、前記シリコン基板に形成されたアスペクト比Ａのトレンチを埋め込む選択エピタキシャル成長の温度を１０００土５０℃の好適な温度に下げ、該温度で、第一の準備工程で求めた前記シリコン基板単位表面へ時間当たり供給されるソースのモル量を、その単位表面領域でのアスペクト比Ａのトレンチを埋め込むエピタキシャル成長で時間当たり消費されるソースのモル量が超えない、エピタキシャル成長速度を計算から求め，トレンチが形成される前記シリコン基板と同じ結晶方位のシリコン低抵抗基板２への前記反応ガス条件に塩化水素ガスを添加した前記好適な成長温度での選択エピタキシャル成長の速度が計算から求めた速度となる反応ガスに添加する塩化水素ガス流量を把握し、
前記第一及び第二の準備工程により設定された反応ガス条件と好適な成長温度と把握された塩化水素ガスの添加流量条件を用いた選択エピタキシャル成長方法で前記シリコン基板に形成されたトレンチを埋め込むことにより、トレンチ部の単位表面でシリコンソースの消費量をソースの供給量が上回る反応律速的エピタキシャル成長を進行させることで、ボイドが生じない範囲で高速な成長速度でトレンチを埋め込むことを特徴とするスーパージャンクション構造を有する半導体素子の製造方法。 - 第一の準備工程で、前記シリコン基板と同じ結晶方位のシリコン低抵抗基板１へのエピタキシャル成長が拡散律速反応となる１１００～１１５０℃の範囲の成長温度Ｔ１℃で、成長速度Ｘμｍ/minが３．０μｍ/min以上、５．０μｍ/min以下となるように反応ガスのシリコンソースガス流量と水素キャリアガスの流量条件Ｇ１を設定し、第二の準備工程で該反応ガス流量条件Ｇ１を変更することなくアスペクト比Ａのトレンチを埋め込むエピタキシャル成長温度Ｔ2℃を１０００土５０℃の範囲に設定して、反応ガスに塩化水素ガスを添加してトレンチを形成する前記シリコン基板と同じ結晶面のシリコン低抵抗基板２に選択エピタキシャル成長した時の成長速度が［（Ｔ１＋２７３）／（Ｔ２＋２７３）］-３/２ Ｘ／（Ａ＋１）μｍ/min以下となる塩化水素ガスの添加流量を求めて、
前記第一及び第二の準備工程により設定された反応ガスの流量条件、成長温度、塩化水素ガスの添加流量による選択エピタキシャル成長により前記シリコン基板に形成されたトレンチを埋め込むことにより、トレンチ全部位で、シリコンソースの供給量が消費量を上回る反応律速的エピタキシャル成長を進行させることにより、ボイドが生じない選択エピタキシャル成長工程でトレンチを埋め込むことを特徴とする請求項１に記載のスーパージャンクション構造を有する半導体素子の製造方法。 - 選択エピタキシャル成長により埋め込む前記シリコン基板に形成されたストライプ状のトレンチのピッチが１０．０μｍ以下、且つ、アスペクト比が１０以上である場合、トレンチを埋め込む選択エピタキシャル成長において、トレンチが形成される前記シリコン基板と同じ結晶面のシリコン低抵抗基板２に選択エピタキシャル成長した時の成長速度が１．２Ｘ／（Ａ＋１）μｍ/min以下となる、反応ガスに添加する塩化水素ガスの流量を求めて、その添加流量による選択エピタキシャル成長により前記シリコン基板に形成されたトレンチを埋め込むことを特徴とする請求項２に記載のスーパージャンクション構造を有する半導体素子の製造方法。
- トレンチが形成された前記シリコン基板表面のエピタキシャル成長速度がトレンチの長手方向側壁の結晶面でのエピタキシャル成長速度よりも高速又は同等となるような結晶面の組み合わせのうち、前記シリコン基板表面が（１００）面、トレンチ側壁が（１００）面、又は、前記シリコン基板表面が（１１０）面、トレンチ側壁が（１１１）面となるようにトレンチを加工した前記シリコン基板を用いることを特徴とする請求項１に記載のスーパージャンクション構造を有する半導体素子の製造方法。
- トレンチを形成する反応性イオンエッチングにおいて、生産性に優れた貫通電極用深堀エッチングに用いられるボッシュ法を用い、ボッシュ法に伴うエッチング面に生ずるスキャロップと呼ばれる微小な凹凸を、選択エピタキシャル成長の温度条件を１０００土５０℃として塩化水素ガスの添加流量により反応律速的条件を満たし、シリコンソースのサーフェスマイグレーションが大きいエピタキシャル条件として成長初期に成長面を平滑化することにより、マイクロボイドやミスフィット転位の発生がない良好な結晶品質のエピタキシャル層でトレンチを埋め込むことを特徴とする請求項１に記載のスーパージャンクション構造を有する半導体素子の製造方法。
- 請求項１において、トレンチがエピタキシャル成長により埋め込まれていくとトレンチ部の成長面積が減少し、シリコンソースの時間当たりの消費量が低下するので、その変化に対応して、反応律速的条件を保持できる範囲で塩化水素ガスの添加量を少なくし、或いは、成長温度を上昇させ埋め込みエピタキシャル成長速度を高速にして成長時間を短縮し生産性を向上させることを特徴とする請求項１に記載のスーパージャンクション構造を有する半導体素子の製造方法。
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