KR100950232B1 - 반도체 기판의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

트렌치의 내부에 매립된 에피택셜막에 보이드가 발생하는 것을 회피한다. 기판 본체(63) 표면에 제1 에피택셜막(61)을 성장시키는 공정과, 이 제1 에피택셜막(61)에 복수의 제1 트렌치(64)를 형성하는 공정과, 제1 트렌치(64)의 내부 전체에 제2 에피택셜막(62)을 성장시키는 공정과, 제2 에피택셜막(62)을 연마하여 평탄화하는 공정과, 평탄해진 제2 에피택셜막(62)의 상면에 제1 에피택셜막(61)과 동일 조성의 제3 에피택셜막(66)을 더 성장시키는 공정과, 이 제3 에피택셜막(66)에 제2 트렌치(67)를 형성하여 제1 트렌치(64)를 연장시키는 공정과, 제2 트렌치(67)의 내부 전체에 제4 에피택셜막(68)을 더 성장시키는 공정과, 제4 에피택셜막(68)을 연마하여 평탄화하는 공정을 포함한다.

Description

반도체 기판의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING SEMICONDUCTOR SUBSTRATE}
본 발명은 수퍼정션 MOSFET과 같이 기판의 깊이 방향으로 고종횡비(aspect ratio)로 형성되는 트렌치를 이용한 반도체 장치의 제조에 적합한 반도체 기판의 제조 방법에 관한 것이다.
종래부터 수퍼정션 MOSFET(예를 들어 특허 문헌 1 참조)과 같이 기판의 깊이 방향으로 고종횡비로 형성되는 트렌치를 이용한 반도체 장치가 알려져 있다. 이러한 구조의 반도체 장치에서는 트렌치 내에 에피택셜막을 매설함으로써 고종횡비의 불순물 확산층을 형성하는 것이 유효하다(예를 들어 특허 문헌 2 참조).
특허 문헌 1: 일본 특허 공개 공보 2003-124464호
특허 문헌 2: 일본 특허 공개 공보 2001-196573호
그러나, 종래의 반도체 기판의 제조 방법에 있어서는 미리 형성된 트렌치 내에 에피택셜막을 복수 회로 나누어 매립함으로써 고종횡비의 확산층을 형성하도록 되어 있으므로 그 종횡비를 높게 하려면 스스로 한계가 있었다. 그리고, 그 한계를 넘어 트렌치의 종횡비를 높게 하면, 트렌치 내의 매립 에피택셜막 내에 매립 불량(보이드)이 발생할 우려가 있고, 보이드가 발생하면 그 보이드의 상부에 있어서 플레이크 다운(flake down)이 발생하여 내압(耐壓, breakdown voltage)이 감소하여 소자 성능이 저하하는 문제가 있다.
특히, N형 영역과 P형 영역이 교대로 전류 방향에 대하여 수직하게 나란한 전술한 수퍼정션 구조(P/N 칼럼 구조)에 있어서 그 내압을 향상시키기 위해서는 트렌치 깊이를 깊게 할 필요가 있지만, 트렌치 깊이가 깊어짐에 따라 결과적으로 종횡비가 높아져 트렌치 내의 매립 에피택셜막 내에 매립 불량(보이드)이 발생하면, 매립 불량(보이드)에 기인하는 결정 결함의 발생에 따라 내압 접합 누설 수율의 저하를 초래하거나 트렌치의 매립 불량 부위에 레지스트가 남아 공정내 오염을 초래하는 사태가 발생한다.
본 발명의 목적은 트렌치의 내부에 매립된 에피택셜막에 보이드가 발생하는 것을 회피할 수 있는 반도체 기판의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
청구항 1에 따른 발명은 상기 목적을 달성하기 위한 것으로서, 도 1에 도시한 바와 같이, (a) 기판 본체(63) 표면에 제1 에피택셜막(61)을 성장시키는 공정과, (b) 이 제1 에피택셜막(61)을 부분적으로 식각하여 복수의 제1 트렌치(64)를 형성하는 공정과, (c) 상기 복수의 제1 트렌치(64)의 내부 전체 및 상기 복수의 제1 트렌치(64) 이외의 상기 제1 에피택셜막의 표면에 제2 에피택셜막(62)을 성장시키는 공정과, (d) 상기 제2 에피택셜막(62)을 연마하여 상기 제1 에피택셜막(61)의 표면을 노출시킴과 동시에 상기 복수의 제1 트렌치(64)의 내부 전체에 매립된 상기 제2 에피택셜막(62)의 상면을 평탄하게 하는 공정과, (e) 평탄화된 상기 제2 에피택셜막(62)의 상면과 노출된 상기 제1 에피택셜막(61)의 표면에 상기 제1 에피택셜막(61)과 동일한 조성의 제3 에피택셜막(66)을 더 성장시키는 공정과, (f) 이 제3 에피택셜막(66) 중 상기 복수의 제1 트렌치(64)에 대응하는 부분을 식각하여 복수의 제2 트렌치(67)를 형성함으로써 상기 복수의 제1 트렌치(64)를 연장시키는 공정과, (g) 상기 복수의 제2 트렌치(67)의 내부 전체 및 상기 복수의 제2 트렌치(67) 이외의 상기 제3 에피택셜막(66)의 표면에 제4 에피택셜막(68)을 더 성장시키는 공정과, (h) 상기 제4 에피택셜막(68)을 연마하여 상기 제3 에피택셜막(66)의 표면을 노출시킴과 동시에 상기 복수의 제2 트렌치(67)의 내부 전체에 매립된 상기 제4 에피택셜막(68)의 상면을 평탄하게 하는 공정을 포함하는 반도체 기판의 제조 방법이다.
트렌치(64, 67)의 내부에 보이드를 발생시키지 않고 에피택셜막(62, 68)으로 매립할 수 있는지 여부에 관해서는 그 트렌치(64, 67)의 폭(A)에 대한 트렌치의 깊이(B)가 얕으면 얕을수록 트렌치(64, 67)의 내부에 보이드를 발생시키지 않고 에피택셜막(62, 68)으로 매립할 수 있는 것이 알려져 있다.
이 청구항 1에 기재된 반도체 기판의 제조 방법에서는, 트렌치(64, 67)의 형성과 에피택셜막(62, 68)의 매립을 복수 회로 나누어 행하므로 트렌치(64, 67)의 폭(A)에 대한 트렌치의 깊이(B)가 얕은 상태에서 에피택셜막(62, 68)의 매립을 행할 수 있고 복수의 트렌치(64, 67)의 내부에 보이드를 발생시키지 않고 에피택셜막(62, 68)으로 매립할 수 있다.
청구항 2에 따른 발명은, 청구항 1에 따른 발명으로서, 공정 (g) 이후에 공정 (d)부터 공정 (g)까지를 1회 또는 2회 이상 반복하는 것을 특징으로 한다.
이 청구항 2에 기재된 반도체 기판의 제조 방법에서는, 공정 (d)부터 공정 (g)까지를 3회 이상 반복하게 되어 최종적으로 얻고자 하는 트렌치의 종횡비가 비교적 큰 것이라도 1회 당 에피택셜막의 매립을 행할 때의 트렌치의 폭(A)에 대한 트렌치의 깊이(B)를 얕게 할 수 있고, 트렌치의 내부에 매립된 에피택셜막에 보이드가 발생하는 것을 유효하게 회피할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 트렌치의 형성과 에피택셜막의 매립을 복수 회로 나누어 행하므로, 에피택셜막의 매립을 행할 때의 트렌치의 폭에 대한 트렌치의 깊이를 얕게 할 수 있고, 복수의 트렌치의 내부에 보이드를 발생시키지 않고 에피택셜막으로 매립할 수 있다. 특히 트렌치의 형성과 에피택셜막의 매립을 3회 이상 반복하면, 최종적으로 얻고자 하는 트렌치의 종횡비가 비교적 큰 것이라도 에피택셜막의 매립을 행할 때의 트렌치의 폭에 대한 트렌치의 깊이를 충분히 얕게 할 수 있고, 트렌치의 내부에 매립된 에피택셜막에 보이드가 발생하는 것을 유효하게 회피할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태의 반도체 기판의 제조 방법을 도시한 공정도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이 반도체 기판은 N+형의 기판 본체(63)를 구비하며, 이 기판 본체(63) 표면에는 에피택셜막(61, 66)이 형성된다. 기판 본체(63)는 인, 비소, 안티몬 등의 불순물이 도핑된 N+형의 실리콘 단결정 기판이며, 에피택셜막(61, 66)은 인, 비소, 안티몬 등의 불순물이 도핑된 N형 실리콘 단결정층이다. 이 에피택셜막(61, 66)은 부분적으로 식각 제거되며, 소정의 간격을 두고 리브형의 복수의 에피택셜막(61, 66)이 기판 본체(63)의 표면에 각각 형성되고, 복수의 에피택셜막(61, 66) 사이의 트렌치(64, 67)에는 붕소, 갈륨, 인듐 등의 불순물이 도핑된 P형 실리콘 단결정으로 이루어지는 에피택셜막(62, 68)이 매립된다.
이러한 반도체 장치에서의 본 발명의 제조 방법에 대하여 설명한다. 먼저, 도 1(a)에 도시한 바와 같이, N+형의 기판 본체(63)를 준비하고, 그 위에 N형의 제1 에피택셜막(61)을 형성한다. 구체적으로는, 기판 본체(63)의 표면에 원료 가스로서 실레인 가스를 공급하면서 기상 성장법에 의해 400∼1200℃의 온도 범위에서 제1 에피택셜막(61)을 성장시킨다.
다음 도 1(b)에 도시한 바와 같이 이 제1 에피택셜막(61)을 부분적으로 식각하여 복수의 제1 트렌치(64)를 형성한다. 구체적으로는, N형 제1 에피택셜막(61) 상에 도시하지 않은 실리콘 산화막을 성막하고, 이 실리콘 산화막에 대하여 소정의 트렌치를 얻을 수 있도록 소정의 형상으로 패터닝한다. 그리고, 이 패터닝된 실리콘 산화막을 마스크로 하여 N형의 제1 에피택셜막(61)에 대하여 이방성 식각(RIE) 또는 알칼리성 이방성 식각액(KOH, TMAH 등)에 의한 습식 식각을 행하여 복수의 제1 트렌치(64)를 형성한다. 그 후 마스크로서 사용한 도시하지 않은 실리콘 산화막을 제거한다. 이와 같이 하여 이 기판 본체(63) 표면에 소정의 간격을 두고 리브형의 복수의 제1 에피택셜막(61)을 각각 형성함과 아울러, 그 복수의 제1 에피택셜막(61) 사이에 복수의 제1 트렌치(64)를 각각 형성한다.
다음 도 1(c)에 도시한 바와 같이, 복수의 제1 트렌치(64)의 내부 전체 및 복수의 제1 트렌치(64) 이외의 제1 에피택셜막(61)의 표면에 제2 에피택셜막(62)을 성장시킨다. 구체적으로는, 복수의 제1 트렌치(64)의 내면을 포함하여 제1 에피택셜막(61) 상에 원료 가스를 공급하면서, 기상 성장법에 의해 400∼1150℃의 온도 범위에서 제2 에피택셜막(62)을 성막하고, 그 제2 에피택셜막(62)에 의해 복수의 제1 트렌치(64) 안을 매립한다. 이 복수의 제1 트렌치(64)의 내부를 제2 에피택셜막(62)으로 매립하는 공정에 있어서, 적어도 매립 최종 공정에 있어서, 제1 에피택셜막(61)의 형성을 위하여 공급하는 원료 가스로서 반도체 소스 가스와 할로겐 화합물 가스와의 혼합 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 여기서, 반도체 소스 가스로는 모노실레인(SiH4), 다이실레인(Si2H6), 다이클로로실레인(SiH2Cl2), 트라이클로로실레인(SiHCl3), 사염화실리콘(SiCl4) 등을 들 수 있다. 특히, 반도체 소스 가스로서 다이클로로실레인(SiH2Cl2), 트라이클로로실레인(SiHCl3), 사염화실리콘(SiCl4) 중 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다. 할로겐 화합물 가스로는 염화수소(HCl), 염소(Cl2), 불소(F2), 3불화염소(ClF3), 불화수소(HF), 브롬화 수소(HBr) 중 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하고, 특히 염화수소(HCl)를 사용하는 것이 바람직하다.
반도체 소스 가스와 할로겐 화합물 가스의 혼합 가스를 원료 가스로서 공급하면, 그 안의 할로겐 화합물 가스는 식각 가스로서 기능하고, 그 식각 가스는 공급 율속이며, 식각 속도는 복수의 제1 트렌치(64) 개구부가 복수의 제1 트렌치(64)의 내부보다 빨라진다. 이에 따라 복수의 제1 트렌치(64) 개구부에서의 제2 에피택셜막(62)의 성장 속도는 깊은 부위에서의 제2 에피택셜막(62)의 성장 속도보다 느려져서 복수의 제1 트렌치(64) 측면 상의 제2 에피택셜막(62)의 경우에는 복수의 제1 트렌치(64) 바닥부보다 복수의 제1 트렌치(64) 개구부의 막두께가 작아진다. 그 결과, 도 1(c)에 도시한 바와 같이 복수의 제1 트렌치(64)의 내부에 보이드를 발생시키지 않고 제2 에피택셜막(62)으로 매립할 수 있다.
다음 도 1(d)에 도시한 바와 같이, 제2 에피택셜막(62)을 연마하여 제1 에피택셜막(61)의 표면을 노출시킴과 아울러 복수의 제1 트렌치(64)의 내부 전체에 매립된 제2 에피택셜막(62)의 상면을 평탄하게 한다. 이 연마를 예를 들어 CMP 등에 의해 행할 수 있다.
다음 도 1(e)에 도시한 바와 같이, 평탄화된 제2 에피택셜막(62)의 상면과 노출된 제1 에피택셜막(61)의 표면에 그 제1 에피택셜막(61)과 동일한 조성의 제3 에피택셜막(66)을 더 성장시킨다. 이 제3 에피택셜막(66)의 형성은 전술한 제1 에피택셜막(61)의 형성과 동일한 순서에 의해 행해지며, 구체적으로는, 평탄화된 제2 에피택셜막(62)의 상면과 노출된 제1 에피택셜막(61)의 표면에 원료 가스로서 실레인 가스를 공급하면서 기상 성장법에 의해 400∼1200℃의 온도 범위에서 제3 에피택셜막(66)을 성장시킨다.
다음 도 1(f)에 도시한 바와 같이, 이 제3 에피택셜막(66)의 복수의 제1 트렌치(64)에 대응하는 부분을 식각하여 복수의 제2 트렌치(67)를 형성함으로써 복수의 제1 트렌치(64)를 연장시킨다. 구체적으로는, 제3 에피택셜막(66) 상에 도시하지 않은 실리콘 산화막을 성막하고, 이 실리콘 산화막의 제1 트렌치(64)에 대응하는 부분을 제거하여 소정의 형상으로 패터닝한다. 그리고, 이 패터닝된 실리콘 산화막을 마스크로 하여 제3 에피택셜막(66)에 대하여 이방성 식각(RIE) 또는 알칼리성 이방성 식각액(KOH, TMAH 등)에 의한 습식 식각을 행하고, 복수의 제2 트렌치(67)를 형성함으로써 복수의 제1 트렌치(64)를 연장시킨다. 그 후 마스크로서 이용한 도시하지 않은 실리콘 산화막을 제거한다.
다음 도 1(g)에 도시한 바와 같이 복수의 제2 트렌치(67)의 내부 전체 및 복수의 제2 트렌치(67) 이외의 제3 에피택셜막(66)의 표면에 제4 에피택셜막(68)을 더 성장시킨다. 이 제4 에피택셜막(68)의 형성은 전술한 제2 에피택셜막(62)의 형성과 동일한 순서에 의해 행해지며, 구체적으로는 복수의 제2 트렌치(67)의 내면 을 포함하여 제3 에피택셜막(66) 상에 원료 가스를 공급하면서, 기상 성장법에 의해 400∼1150℃의 온도 범위에서 제4 에피택셜막(68)을 성막하고, 그 제4 에피택셜막(68)에 의해 복수의 제2 트렌치(67) 안을 매립한다.
다음 도 1(h)에 도시한 바와 같이, 제4 에피택셜막(68)을 연마하여 제3 에피택셜막(66)의 표면을 노출시킴과 아울러 복수의 제2 트렌치(67)의 내부 전체에 매립된 제4 에피택셜막(68)의 상면을 평탄하게 한다. 이에 따라 횡방향으로 P형 영역과 N형 영역이 교대로 배치된 반도체 기판을 얻을 수 있다.
여기서, 트렌치(64, 67)의 내부에 보이드를 발생시키지 않고 에피택셜막(62, 68)으로 매립할 수 있는지의 여부는 그 트렌치(64, 67)의 폭(A)에 대한 트렌치의 깊이(B)로 표시되는 종횡비(B/A)에 의존하며, 그 트렌치(64, 67)의 폭(A)에 대한 트렌치의 깊이(B)가 얕으면 얕을수록, 즉 종횡비(B/A)가 작을수록 트렌치(64, 67)의 내부에 보이드를 발생시키지 않고 에피택셜막(62, 68)으로 매립할 수 있음이 알려져 있다. 그리고, 본 발명의 반도체 기판의 제조 방법에 따르면, 트렌치(64, 67)의 형성과 에피택셜막(62, 68)의 매립을 복수 회로 나누어 행하므로, 에피택셜막(62, 68)의 매립을 행할 때 트렌치(64, 67)의 종횡비가 작은 상태에서 할 수 있다. 이 결과, 복수의 트렌치(64, 67)의 내부에 보이드를 발생시키지 않고 에피택셜막(62, 68)으로 매립할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는 트렌치(64, 67)의 형성과 에피택셜막(62, 68)의 매립을 2회로 나누어 행하는 경우를 설명하였으나, 최종적으로 얻고자 하는 트렌치의 종횡비가 비교적 큰 경우에는 전술한 공정 (g) 이후에 공정 (d)부터 공정 (g)까지를 1회 또는 2회 이상 더 반복할 수도 있다. 공정 (d)부터 공정 (g)까지를 3회 이상 반복하는 반도체 기판의 제조 방법에서는 최종적으로 얻고자 하는 트렌치의 종횡비가 비교적 크다 하더라도 1회 당 에피택셜막의 매립을 행할 때의 트렌치의 종횡비를 작게 할 수 있고, 트렌치의 내부에 매립된 에피택셜막에 보이드가 생기는 것을 유효하게 회피할 수 있다.
본 발명은 수퍼정션 MOSFET과 같이 기판의 깊이 방향으로 고종횡비로 형성되는 트렌치를 이용한 반도체 장치에 사용되는 반도체 기판과 그 제조 방법에 이용할 수 있다.
60……반도체 기판, 61……제1 에피택셜막,
62……제2 에피택셜막, 63……기판 본체,
64……제1 트렌치, 66……제3 에피택셜막,
67……제2 트렌치, 68……제4 에피택셜막

Claims (2)

  1. (a) 기판 본체(63) 표면에 제1 에피택셜막(61)을 성장시키는 공정과,
    (b) 이 제1 에피택셜막(61)을 부분적으로 식각하여 복수의 제1 트렌치(64)를 형성하는 공정과,
    (c) 상기 복수의 제1 트렌치(64)의 내부 전체 및 상기 복수의 제1 트렌치(64) 이외의 상기 제1 에피택셜막(61)의 표면에 제2 에피택셜막(62)을 성장시키는 공정과,
    (d) 상기 제2 에피택셜막(62)을 연마하여 상기 제1 에피택셜막(61)의 표면을 노출시킴과 동시에 상기 복수의 제1 트렌치(64)의 내부 전체에 매립된 상기 제2 에피택셜막(62)의 상면을 평탄하게 하는 공정과,
    (e) 평탄화된 상기 제2 에피택셜막(62)의 상면과 노출된 상기 제1 에피택셜막(61)의 표면에 상기 제1 에피택셜막(61)과 동일한 조성의 제3 에피택셜막(66)을 더 성장시키는 공정과,
    (f) 이 제3 에피택셜막(66)의 상기 복수의 제1 트렌치(64)에 대응하는 부분을 식각하여 복수의 제2 트렌치(67)를 형성함으로써 상기 복수의 제1 트렌치(64)를 연장시키는 공정과,
    (g) 상기 복수의 제2 트렌치(67)의 내부 전체 및 상기 복수의 제2 트렌치(67) 이외의 상기 제3 에피택셜막(66)의 표면에 제4 에피택셜막(68)을 더 성장시키는 공정과,
    (h) 상기 제4 에피택셜막(68)을 연마하여 상기 제3 에피택셜막(66)의 표면을 노출시킴과 동시에 상기 복수의 제2 트렌치(67)의 내부 전체에 매립된 상기 제4 에피택셜막(68)의 상면을 평탄하게 하는 공정을 포함하는 반도체 기판의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 공정 (g) 이후에, 공정 (d)부터 공정 (g)까지를 1회 또는 2회 이상 반복하는 반도체 기판의 제조 방법.
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