JP2005532698A - トレンチ型ショットキ・バリア・ダイオード - Google Patents
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Abstract
【課題】 使用するマスクと工程の数を減らして製造することができ、かつ末端部分の構成が改善されたトレンチ型ショットキ・ダイオード、およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 ショットキ・バリア構造の製造方法において、Ｓｉエピタキシャル層の表面に直接窒化膜を形成し、続いてＳｉエピタキシャル層に複数のトレンチを形成する。ついで、トレンチの内壁頂部に鳥のくちばし形状の酸化物が形成されるのを避けるため、犠牲酸化膜を形成することなく、トレンチの内壁に、最終的に使用される酸化膜を沈着させる。末端トレンチには、半導体装置の活性領域に複数のトレンチを形成するのと同じ工程において、エッチングを施す。
【解決手段】 ショットキ・バリア構造の製造方法において、Ｓｉエピタキシャル層の表面に直接窒化膜を形成し、続いてＳｉエピタキシャル層に複数のトレンチを形成する。ついで、トレンチの内壁頂部に鳥のくちばし形状の酸化物が形成されるのを避けるため、犠牲酸化膜を形成することなく、トレンチの内壁に、最終的に使用される酸化膜を沈着させる。末端トレンチには、半導体装置の活性領域に複数のトレンチを形成するのと同じ工程において、エッチングを施す。
Description
本発明は、半導体装置、より詳しくは、新規なトレンチ型ショットキ・ダイオード、およびその製造方法に関する。
ショットキ・ダイオードは、非常によく知られており、種々の立体構成をとって製造されている。また、このような立体構成については、典型的には、特許文献１に記載されているように、トレンチ型のものも知られている。しかし、これまでのところ、トレンチ型ショットキ・ダイオードを製造するには、多数のマスクと製造工程が必要である。
図１〜図４は、トレンチ型ショットキ・ダイオードを形成するためのＬＯＣＯＳ（局所酸化）プロセスを示す。シリコンウエハ10は、Ｎ+型基板と、この上に形成されたＮ-型エピタキシャル層とからなっている。シリコンウエハ10の上には、厚さ２００〜５００Åの二酸化ケイ素からなる公知のパッド用酸化膜12が形成されている。また、パッド用酸化膜12の上には、窒化膜14（Ｓｉ3Ｎ4）が蒸着されている。
次に、トレンチ形成用のマスクを形成し、さらにフォトリソグラフィー技術を用いて、これに複数の平行なウィンドーを形成する。シリコンウエハ10には、エッチングによって、図２に示すようなトレンチ16が、平行に複数個形成される。この後、犠牲酸化膜を成長させるが、この犠牲酸化膜は、ウェットエッチングされる。この間、パッド用酸化膜も、図２に示すように、エッチングされ、アンダーカット部分が生じる。
ついで、ゲート酸化膜（厚さ５００Å）を、トレンチ16の内壁に成長させる。この間、窒化膜14の突出した縁部は、アンダーカット部分で成長するゲート酸化膜によって押し上げられる。ついで、窒化膜14を除去した後、ポリシリコン層を蒸着する。このポリシリコン層は、ホウ素イオンをドーピングした後、エッチバックされる。
最後に、パッド用酸化膜をエッチングすると、トレンチの入口縁部には、図４に示すような鳥のくちばし形状の酸化物が残るが、これは、完成後の半導体装置のリーク電流特性を低下させる。
米国特許第5,612,567号明細書
本発明は、使用するマスクの数と工程数を減らして製造することができ、かつ末端部分の構成が改善されたトレンチ型ショットキ・バリア半導体装置、およびその製造方法を提供することを目的としている。
本発明によれば、トレンチ型ショットキ・バリア半導体装置を製造するために、新規なＬＯＣＯＳタイプの製造プロセスが用いられる。
本発明に係る方法においては、公知のＬＯＣＯＳタイプのプロセスにおいて通常用いられるパッド酸化膜を形成するための酸化を行わず、かつトレンチの内壁にゲート酸化膜を成長させるのに先行して行われるトレンチ内壁の犠牲酸化も行わない。
これらの工程を省くことによって、マスクの数と、これに関連する工程を削減することができる。さらに、トレンチの縁部に有害な「鳥のくちばし」形状の酸化物が形成されるのを回避することもできる。したがって、本発明によれば、半導体装置のリーク電流特性を改善して、収率を高めることができる。
より詳しくいうと、出力定格電圧が２０Ｖの整流器を製造する際、二酸化ケイ素のパッドを介在させることなく、窒化ケイ素の膜をシリコンウエハの表面で直に成長させる。トレンチ形成用のマスクを形成するプロセスにおいて、窒化膜にウィンドーのパターンを形成し、ついで、末端トレンチを含むトレンチ形成のためのエッチングを行う。
つぎに、犠牲酸化膜の形成、およびこの犠牲酸化膜のエッチングを行うことなく、トレンチの内壁を酸化する。トレンチを充填して平坦化する工程の後に、続くショットキ・バリア金属層の形成に備えて、窒化膜をウェットエッチングによって除去する。
したがって、本発明においても、ＬＯＣＯＳプロセスの利点を採用するが、本発明においては、工程数を削減し（これも重要である）、かつ操作性と装置特性を改善するために、このプロセスに変更を加える。
本発明によれば、使用するマスクと工程の数を減らして製造することができ、かつ末端部分の構成が改善されたトレンチ型ショットキ・バリア半導体装置、およびその製造方法が提供される。
本発明者らは、半導体装置の特性を低下させることなく、パッド用酸化膜と犠牲酸化膜を形成する工程を省くことができ、製造プロセスを簡略化しうることを見出した。
図５〜図１１は、本発明に係る、ショットキ・ダイオードの製造プロセスと、このプロセスによって得られる新規な半導体装置を詳細に示すものである。
このプロセスは、２０Ｖ用半導体装置を製造するためのものであるが、適当な変更を加えることによって、いかなる定格の半導体装置にも適用しうる。図５に示すウエハ10は、厚さが約２．５〜４μｍ、抵抗率が０．３〜０．５Ωcmである。このウエハは、例えばフッ化水素酸（ＨＦ）によって洗浄される。この洗浄を行うと、熱酸化物および自然に生成した酸化物が除去される。
半導体装置におけるレイアウトのパターンを、複数のフォトマスクを用いる公知のフォトリソグラフィー技術を用いて、シリコンウエハの表面に転写する。この際、各マスクは、転写するパターンと一致するよう、ウエハ上で慎重に整合させねばならない。
通常、このような整合を行う際には、ウエハの表面に、いわゆるゼロ層または下地層が形成される。ゼロ層は、ウエハ上に最初に形成される層（通常は、図１に示すようなパッド用酸化膜）である。
ステッパ（露光装置）を用いる業界で最も一般的な方法においては、整合を正確に行うため、整合させる複数のマスクを、Ｘ軸方向とＹ軸方向に延びる所定の線に沿って配置する。しかし、この方法では、製造コストが増大する。
本発明者らは、図５に示すように、ゼロマスクの形成を省き、低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）法を用いて、Ｓｉエピタキシャル層の表面上に、約６００Åの除去可能な窒化膜を直接蒸着しうることを見出した。本発明の方法により製造されるショットキ・ダイオードにおいては、ゼロ酸化膜の形成が省かれているため、総製造コストを減らすことができる。
トレンチを形成するため、Ｓｉ3Ｎ4層26の表面をマスク（図示せず）で被覆し、このマスクに、適当なフォトリソグラフィープロセスによって、所望のトレンチパターンを形成する。
図６に示すように、Ｓｉ3Ｎ4層26には、プラズマエッチング等の適当なエッチングを施すことにより、複数のトレンチが形成される。その結果、互いに離間した複数のトレンチ28,30（図６〜図１１参照）は、好ましくは、平行なストライプ状に形成され、Ｓｉエピタキシャル層の表面22から内部に向かって下方に延びている。末端トレンチ30（図１１参照）も、この工程において形成される。
トレンチ28,30は、互いに約０．５μｍ離間され、それぞれの幅は約０．５μｍ、深さは約１．５μｍである。なお、他のトレンチ形成方法とエッチング方法も採用しうることに、留意するべきである。
トレンチを形成した後、フォトレジストマスクの残存する部分を除去する。ついで、トレンチの露出した表面を洗浄した後、イオンインプランテーションと拡散を行う。
上述の一連の工程に示されているように、本発明に係る方法においては、パッド用酸化膜の形成が省かれている。
本発明に係る方法が公知の製造プロセスと異なるもう一つの重要な点は、図３に示すような犠牲酸化膜の形成が行われていないことである。本発明者らは、公知のプロセスにおいて、トレンチ型ショットキ・バリア構造の品質に悪影響を及ぼす上記２つの工程を省略しうることを見出した。
したがって、本発明の方法によれば、図６に示すように、犠牲酸化膜を成長させる工程と、これをエッチングする工程を行うことなく、ゲート酸化膜を形成することができる。ゲート酸化膜を形成する工程においては、ウェットエッチングまたはドライエッチングによって、約５００Åの均一な厚さをもつ薄いゲート酸化膜４４を、トレンチの内壁に成長させる。
つぎに、図７に示すように、これまでの工程によって形成した構造物の上に、トレンチ28を充填しつつ、ポリシリコン層48を厚さが約７５００Åとなるまで蒸着する。
ついで、例えば８０keVのエネルギー下で、１０14cm-2の密度で、ホウ素イオンのインプランテーションを行う。Ｐ型のドーパントとして働くイオンであれば、どのようなものでも、このインプランテーションに用いることができるが、ホウ素またはフッ化ホウ素が、イオン源として最も適している。
拡散の前に洗浄をもう一度行った後、トレンチ内のポリシリコンをＰ型とするため、インプランテーションによって打ち込まれたイオンを、１０５０℃の温度下で活性化させ、１時間拡散させる。ポリシリコンがＰ型になると、トレンチ28と30の間に、Ｎ-型でメサ（頂上が平坦で、周囲が急傾斜している卓状体）形状をなす、複数の電極が形成される。この電極は、逆電圧を阻止するための逆バイアスの下で、トレンチ間の電荷を費消する。
ついで、図８に示すように、適当なプラズマエッチングを、必要なエッチング時間よりも５秒間長く、ポリシリコン層の全面に施して、ポリシリコンを除去する。このエッチング工程の後、メサ形状部を覆っている窒化膜を、１５０℃のリン酸を用いたウェットエッチングによって除去する。
公知のＬＯＣＯＳ法においては、「鳥のくちばし」は、たとえ追加のマスクを用いたエッチングを行っても除去することはできない。「鳥のくちばし」を形成しないようにすることにより、漏洩電流の減少、および収率の増加、したがってコストの削減という効果が得られる。
図９に示すショットキ・バリア金属層50を形成する前に、Ｓｉエピタキシャル層の表面22に、所望の洗浄を施す。ついで、チタン、チタン‐タングステン合金（ＴｉＷ）等からなるショットキ・バリア金属層50を、厚さが約６００Åとなるまで、スパッタリングによって形成する。
チタンのショットキ・バリア金属層を形成する方法には、種々のものがあるが、蒸着、スパッタリング、電子ビーム蒸着等がよく用いられている。チタン層の厚さは、どのような値にもすることができるが、続いて形成されるケイ化物層の厚さを最大にし、かつ未反応のチタンの厚さを最小にする観点からは、約６００Åが好ましい。
ついで、チタン層に対して、不活性雰囲気下で、高温のアニーリングを施す。すると、チタンの薄い層は、活性領域においてシリコンと反応し、チタンのケイ化物層が形成される。この結果、メサ領域54の表面に拡がるショットキ接合部52が形成される。
次に、末端領域２１に沿って延びる未反応のチタン層を、水酸化アンモニウムや過酸化水素を主成分とする公知のエッチング液を用いて除去する。この場合のエッチング時間は、状況に応じて適宜変更することができるが、エッチング温度は、過酸化水素の分解が著しく速く進むのを避けるため、８０℃を超えてはならない。
上記の方法によって得られた構造物の上に、アルミニウムや他の導電性金属材料からなる金属製接触層56（図１０参照）を蒸着する。さらに、金属製接触層56の末端トレンチ60内に位置する周縁部58（図１１参照）を一部除去するエッチングを行うため、必要な箇所を金属製マスク（図示せず）で覆う。
最後に、接着テープを用いて、ウエハ全体を研磨機（図示せず）のフレームに取付け、ウエハの裏面を研磨して、ウエハの厚さを０．２０３ミリメートル（８ミル）とする。この後、ウエハを研磨機から取外し、研磨によって生じた粗面を滑らかにするためのエッチングを行う。
本発明に係るショットキ整流器の底面にカソードを形成するため、ウエハの裏面、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｇからなる３元金属層をスパッタリングによって形成する。ついで、ウエハを基準線に沿って賽の目状に切断すれば、複数個の同一のダイオードを得ることができる。
図１１に示す実施形態においては、トレンチ60内の二酸化ケイ素層44は、ゲート酸化膜と同じ約５００Åの厚さをもっている。この非常に薄い酸化膜は、アルミニウム製接触層の周縁部58の底部において、温度の循環的な変化が生ずると、“ｘ”軸方向に破断するおそれがある。しかし、この破断は、例えば７５０〜１０００Åの厚い酸化膜、または追加のマスク工程とともに、厚さ５０００ÅのＴＥＯＳ(テトラエトキシシラン)層を形成すれば、防ぐことができる。
また、末端領域におけるゲート酸化膜44を保護するため、金属製接触層を形成している間に、ＴｉＷを蒸着することによって、厚さが約３５００Å（ただし、厚さは重要ではない）のチタン‐タングステン合金からなるショットキ・バリア層を形成することができる。
異常、本発明を特定の実施形態に即して説明してきたが、当業者にとっては、他の多くの変更や、ここで説明した以外の用途も自明のことと思われる。したがって、本発明の技術的範囲は、ここで開示した内容に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載によってのみ定められるべきである。
10 シリコンウエハ
12 パッド用酸化膜
14 窒化膜
16 トレンチ
22 Ｓｉエピタキシャル層の表面
26 Ｓｉ3Ｎ4層
28,30 トレンチ
44 ゲート酸化膜
48 ポリシリコン層
50 ショットキ・バリア金属層
52 ショットキ接合部
54 メサ領域
56 金属製接触層
60 末端トレンチ
12 パッド用酸化膜
14 窒化膜
16 トレンチ
22 Ｓｉエピタキシャル層の表面
26 Ｓｉ3Ｎ4層
28,30 トレンチ
44 ゲート酸化膜
48 ポリシリコン層
50 ショットキ・バリア金属層
52 ショットキ接合部
54 メサ領域
56 金属製接触層
60 末端トレンチ
Claims (19)
- 第１の導電型を有するシリコン基板の上に、窒化膜を直に形成する工程と、
前記窒化膜に、互いに離間した複数のウィンドーを区画するため、パターン形成する工程と、
前記ウィンドーを介してエッチングを行い、前記シリコン基板の表面から内部に向かって下方に延びる、互いに離間した複数のトレンチを形成する工程と、
前記トレンチ内壁の頂部に鳥のくちばし形状の酸化物が残存することのないよう、犠牲酸化膜の形成とエッチングを行うことなく、トレンチの内壁を最終的に使用される酸化膜によって被覆する工程とを含むことを特徴とするトレンチ型ショットキ・バリア半導体装置の製造方法。 - 前記トレンチを、第２の導電型をもつ導電体によって充填する工程と、
表層部に、ショットキ・バリア金属層を形成する工程と、
前記ショットキ・バリア金属層に接触しつつ、これを横断するアノードを形成するとともに、前記シリコン基板の反対側の面にカソードを形成する工程とを含み、
交互に並ぶトレンチとメサを形成するための前記ウィンドーを、前記窒化膜を貫通するエッチングによって形成することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。 - 前記トレンチを、第２の導電型をもつ導電体によって充填する工程は、トレンチを充填しつつ、パターン形成された前記窒化膜を覆うポリシリコン層を沈着させる工程と、トレンチを充填するポリシリコン層に、第２の導電型の不純物をインプラントする工程とを含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
- 前記シリコン基板において、互いに離間した複数の露出領域を形成するため、前記トレンチの内壁を最終的に使用される酸化膜によって被覆する工程の後に、前記メサを覆う窒化膜を、１５０℃のリン酸によるエッチングによって除去する工程をさらに含むことを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ショットキ・バリア金属層を、前記シリコン基板の露出領域であるメサ、およびトレンチの上に形成することを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。
- 前記シリコン基板は、厚さが２．５〜４μｍ、抵抗率が０．３〜０．５Ωcmであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
- 前記最終的に使用される酸化膜を、最大で厚さ５００Åまで成長させることを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ポリシリコン層を、概ね７５００Åの厚さまで沈着させることを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方法。
- 前記不純物をインプラントする工程は、ホウ素イオンを、３×１０16cm-2の密度で、前記トレンチを充填しているポリシリコン層に打ち込む工程と、Ｐ型の導電領域を形成することによって、半導体装置が、隣合うメサとトレンチとの間に複数のｐｎ接合を含むように、打ち込まれたホウ素イオンを、１０５０℃の温度下で、１時間、トレンチ内に拡散させる工程とを含むことを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ポリシリコン層の全面に対して、必要なエッチング時間よりも５秒間長いプラズマエッチングを施す工程をさらに含むことを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ショットキ・バリア金属層は、チタン、またはチタン‐タングステンからなり、最大で６００Åの厚さまで、スパッタリングによって形成されたものであることを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ショットキ・バリア金属層に、６２５℃で３０秒間アニーリングを施す工程と、アニーリングを施されたショットキ・バリア金属層の特定の部分をエッチングする工程をさらに含むことを特徴とする請求項１１記載の半導体装置の製造方法。
- 前記シリコン基板は、半導体装置の片面から、前記トレンチよりも下方の位置まで延びるＮ-型エピタキシャル層と、このＮ-型エピタキシャル層から半導体装置のもう片方の面まで延びるＮ+型基底層とを有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
- 第１の導電型を有するシリコン基板の片面に、窒化膜を形成する工程と、
前記窒化膜に、互いに離間した複数のウィンドーを区画するため、パターン形成する工程と、
前記半導体に交互に並ぶトレンチとメサを形成するため、前記ウィンドーを介してエッチングを行い、複数のトレンチを形成する工程と、
前記窒化膜と半導体基板の界面に、前記メサに沿って、互いに離間した複数の鳥のくちばし形状の酸化物が形成されることのないよう、犠牲酸化膜を形成することなく、トレンチの側壁と底面に酸化膜を形成する工程と、
前記トレンチを充填しつつ、前記窒化膜を覆うポリシリコン層を沈着させる工程と、
前記ポリシリコン層に、第２の導電型の不純物をインプラントして、このポリシリコン層を第２の導電型にする工程と、
前記メサを覆う窒化膜を除去し、半導体基板の一部を露出させる工程と、
前記半導体基板の片面にショットキ・バリア層を形成し、このショットキ・バリア層と前記半導体基板の露出したメサとの界面にショットキ・バリアを形成する工程と、
前記半導体基板のもう片方の面に、金属層を形成し、前記ショットキ・バリア層と合わせて、半導体装置のアノードとカソードを形成する工程とを含むことを特徴とするトレンチ型ショットキ・バリア半導体装置の製造方法。 - 前記互いに離間した複数のトレンチの形成と同時に、末端トレンチを形成する工程を含み、ショットキ・バリア金属層の少なくとも一部を、前記末端トレンチから除去することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
- シリコン基板と、このシリコン基板の片面に形成された複数の互いに離間したトレンチと、これらトレンチの間に位置する除去可能な窒化膜とからなるトレンチ型ショットキ・バリア半導体装置であって、各トレンチは、最終的に使用される酸化膜で被覆された内壁を有し、前記最終的に使用される酸化膜は、前記トレンチの内壁を予め被覆する犠牲酸化膜なしで、このトレンチの内壁から直に成長したものであり、前記窒化膜を前記シリコン基板の片面から除去した後に、トレンチ内壁の頂部に盛り上がって残存する酸化物が形成されないようにすることを特徴とするトレンチ型ショットキ・バリア半導体装置。
- 前記末端トレンチは、前記複数のトレンチと同時に形成されたものであり、前記ショットキ・バリア金属層は、この末端トレンチから除去されていることを特徴とする請求項１６記載の半導体装置。
- 前記末端トレンチの底面に、二酸化ケイ素の薄膜が形成されており、この二酸化ケイ素の薄膜は、前記末端トレンチの底面と、前記ショットキ・バリア金属層との間に位置することを特徴とする請求項１７記載の半導体装置。
- 前記二酸化ケイ素薄膜と、前記ショットキ・バリア金属層との間に、さらにＴＥＯＳバリア層が介在していることを特徴とする請求項１８記載の半導体装置。
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