JP5800097B2 - 半導体装置およびその製造装置 - Google Patents

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Description

本明細書に記載の技術は、半導体装置およびその製造装置に関する。
トレンチゲート型の半導体装置では、隣接するトレンチゲートの間隔が狭くなるように複数のトレンチゲートを配置することで、半導体装置のオン電圧を低減できる。しかしながら、トレンチゲートの間の領域において半導体基板は表面電極と接しているため、隣接するトレンチゲートの間隔を狭くすると、半導体基板と表面電極との接触面積が小さくなる。その結果、半導体基板と表面電極との間のコンタクト抵抗が大きくなる等の課題が生じ得る。このため、日本国特許公開公報２００６−３２４４８８号（特許文献１）では、トレンチゲートの底部の幅のみを広くすることで、隣接するトレンチゲートの底部の間隔を狭くしている。
特開２００６−３２４４８８号公報
日本国特許公開公報２００６−３２４４８８号に記載されているように、トレンチゲートの底部の幅のみを広くする場合、次のような課題が生じ得る。第１に、底部のみ広い形状のトレンチを形成するために工程が多くなり、複雑化する。第２に、トレンチにゲート電極を充填する際に、幅の広い底部においてゲート電極に空隙が生じ易くなる。ゲート電極に空隙が含まれていると、その後の熱処理工程において半導体基板にストレスを与える原因となるため、結晶欠陥が生じ、リークが発生し易くなる。
本明細書が開示する半導体装置は、半導体基板と、第１方向に伸びるとともに、第１方向に直交する第２方向に間隔を空けて配置された複数のトレンチゲートとを備えている。複数のトレンチゲートは、半導体基板の表面に開口する第１部分と、第１部分から半導体基板の深さ方向に対して第２方向の正方向に傾斜する方向に伸びる第２部分と、第１部分から半導体基板の深さ方向に対して第２方向の負方向に傾斜する方向に伸びる第３部分とを有する。
上記の半導体装置では、複数のトレンチゲートのそれぞれが、半導体基板の表面に開口する第１部分と、第１部分から半導体基板の深さ方向に対してそれぞれ第２方向の正方向および負方向に傾斜する方向に伸びる第２部分および第３部分とを有している。一のトレンチゲートの第２部分と、これに隣接する他のトレンチゲートの第３部分とは、半導体基板の深さ方向に沿って互いに近づく方向に伸びているため、隣接するトレンチゲートにおいて、その第１部分の間隔を十分広く確保することと、第２部分および第３部分の間隔を狭くすることとを両立できる。第２部分と第３部分は、従来の半導体基板の深さ方向に沿って伸びるトレンチと同様の形状とすることができるため、製造工程が簡易であり、ゲート電極に空隙が生じ易くなることもない。
第２部分の半導体基板の深さ方向に対する傾斜角は、第３部分の半導体基板の深さ方向に対する傾斜角に等しいことが好ましい。
半導体基板は、第１導電型のドリフト層と、ドリフト層に対して半導体基板の表面側に設けられた第２導電型のボディ層とを備え、第１部分と第２部分および第３部分との接続位置の下方に、ボディ層が存在することが好ましい。
また、本明細書は、上記の半導体装置の製造に有用な半導体装置の製造装置を開示する。この製造装置は、チャンバと、チャンバ内に設置された、半導体基板を載置するステージと、チャンバ内にエッチングイオンを発生させる発生器と、チャンバ内でエッチングイオンに磁場を与える磁場発生器と、ステージに対する磁場発生器の位置を調整して磁場の方向を調整可能な駆動機構とを備える。
実施例１に係る半導体装置の断面図である。 図１の半導体装置のキャリア濃度分布を概念的に示す図である。 実施例１の半導体装置の製造方法を説明する図である。 実施例１の半導体装置の製造方法を説明する図である。 実施例１の半導体装置の製造方法を説明する図である。 実施例１の半導体装置の製造方法を説明する図である。 実施例１の半導体装置の製造方法を説明する図である。 実施例１の半導体装置の製造方法を説明する図である。 実施例１の半導体装置を製造するための装置を概念的に示す図である。 実施例１の半導体装置を製造するための装置を概念的に示す図である。 従来の半導体装置の断面図である。 図１１の半導体装置のキャリア濃度分布を概念的に示す図である。
本明細書に係る半導体装置は、トレンチゲートを備えていればよく、特に限定されないが、例えば、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ダイオード等を挙げることができる。
図１に示すように、半導体装置１０は、半導体基板１００と、トレンチゲート１５０と、表面電極１３１と、裏面電極１３２とを備えている。半導体基板１００には、ＩＧＢＴが形成されている。
半導体基板１００は、ｐ型のコレクタ層１０１と、コレクタ層１０１の表面に設けられたｎ型のバッファ層１０３と、バッファ層１０３の表面に設けられたｎ型のドリフト層１０５と、ドリフト層１０５の表面に設けられたｐ型のボディ層１０７と、ボディ層１０７の表面に設けられたｎ型のエミッタ層１０９およびｐ型のボディコンタクト層１１１とを備えている。コレクタ層１０１は、半導体基板１００の裏面に設けられ、裏面電極１３２と接触している。エミッタ層１０９およびボディコンタクト層１１１は、半導体基板１００の表面に設けられており、表面電極１３１と接触している。
複数のトレンチゲート１５０は、半導体基板１００の表面からボディ層１０７とドリフト層１０５との境界より深い位置までの領域に形成されている。複数のトレンチゲート１５０は、長手方向が第１方向（ｙ方向）に伸びるとともに、第２方向（ｘ方向）に間隔を空けて配置されている。
トレンチゲート１５０は、半導体基板１００の表面に開口する第１部分１５２と、第１部分１５２から半導体基板１００の深さ方向（ｚ方向）に対してｘ軸の正方向に角度を有する第３方向に伸びる第２部分１５１と、ｚ方向に対してｘ軸の負方向に角度を有する第４方向に伸びる第３部分１５３とを有している。第１部分１５２は半導体基板１００の表面からボディ層１０７内までｚ方向に沿ってほぼ直線状に伸びており、ボディ層１０７内で、第２部分１５１と第３部分１５３に分岐している。第２部分１５１と第３部分１５３とは、ボディ層１０７内で互いに分岐した位置から、ドリフト層１０５内に達する同じ深さとなる位置まで直線状に伸びている。第３方向とｚ方向とが成す角の角度は、第４方向とｚ方向とが成す角の角度に等しい。なお、第３方向および第４方向がｚ方向と成す角度は、半導体装置１０のトレンチピッチ（第１部分１５２）の間隔やボディ層１０７の厚さ等によって適宜調整することができるが、０°より大きく４５°以下であることが好ましい。
半導体基板１００の表面に、第１部分１５２を覆うように絶縁層１５５が設けられている。絶縁層１５５によって、ゲート電極１５１ｃ，１５３ｃと表面電極１３１とは絶縁されている。
第２部分１５１は、トレンチ１５１ａと、トレンチ１５１ａの内壁面に形成されたゲート絶縁膜１５１ｂと、ゲート絶縁膜１５１ｂに接するようにトレンチ１５１ａ内に充填されたゲート電極１５１ｃとを備えている。第３部分１５３は、トレンチ１５３ａと、トレンチ１５３ａの内壁面に形成されたゲート絶縁膜１５３ｂと、ゲート絶縁膜１５３ｂに接するようにトレンチ１５３ａ内に充填されたゲート電極１５３ｃとを備えている。なお、トレンチ１５１ａ，１５３ａと、ゲート絶縁膜１５１ｂ，１５３ｂと、ゲート電極１５１ｃ，１５３ｃは、第１部分１５２まで伸びており、半導体基板１００の表面に達している。
第３方向と第４方向は、ｙｚ平面について互いに対称となる方向であり、第２部分１５１と第３部分１５３の形状および大きさはほぼ同一である。すなわち、第２部分１５１と第３部分１５３とは、トレンチゲート１５０のｘ方向の中央位置を通るｙｚ平面について、ほぼ対称の関係にある。
トレンチ１５１ａとトレンチ１５３ａとは、トレンチゲート１５０のｘ軸方向の中央位置において接続している。トレンチ１５１ａとトレンチ１５３ａとの接続位置は、ボディ層１０７内にあり、トレンチ１５１ａと１５３ａとの間には、ボディ層１０７およびドリフト層１０５が存在している。ゲート絶縁膜１５１ｂとゲート絶縁膜１５３ｂとは１つの絶縁膜で形成されている。ゲート電極１５１ｃとゲート電極１５３ｃとは、１つのポリシリコン層で形成されており、半導体基板１００の表面側で一体となっている。
例えば、図１に示すように、表面電極１３１を接地し、裏面電極１３２を正電位とし、ゲート電極１５１ｃ，１５３ｃを正電位とすると、半導体装置１０には、裏面電極１３２側から表面電極１３１側に電流が流れる。
図２は、半導体装置１０のキャリア濃度分布を示している。縦軸は半導体基板１００の深さ方向の位置を示している。Ａ１はボディ層１０７の上端の位置であり、Ｂ１はボディ層１０７とドリフト層１０５との境界の位置であり、Ｃ１はドリフト層１０５とバッファ層１０３との境界の位置であり、Ｄ１はバッファ層１０３とコレクタ層１０１との境界の位置である。
比較のため、図１１に示す従来の半導体装置７０について、そのキャリア濃度分布を図１２に示す。図１１に示すように、半導体装置７０は、半導体基板７００の深さ方向に伸びるトレンチゲート７５０を有している。トレンチゲート７５０は、トレンチ７５０ａと、トレンチ７５０ａの内壁面に形成されたゲート絶縁膜７５０ｂと、ゲート絶縁膜７５０ｂに接するようにトレンチ７５０ａ内に充填されたゲート電極７５０ｃとを備えている。その他の構成は、図１に示す半導体装置１０と同様であるため、半導体装置１０の１００番台の参照番号を７００番台に読み替えて説明を省略する。
図１２に示すように、従来の半導体装置７０では、半導体基板７００の表面からボディ層７０７とドリフト層７０５との境界まで一様にキャリア濃度が低下する。このため、ボディ層７０７層の近傍のドリフト層７０５におけるキャリア濃度が低い。
これに対して、実施例１に係る半導体装置１０では、トレンチゲート１５０は、ｘ方向について互いに逆方向に伸びる第２部分１５１と第３部分１５３とを有している。このため、半導体基板１００の表面からトレンチゲート１５０の底部が位置するドリフト層７０５の表面近傍に向かって、隣接するトレンチゲート１５０の間の距離は徐々に狭くなる。このため、図２に示すように、半導体装置１０のキャリア濃度は、半導体基板１００の表面から深さ方向に向かって徐々に低くなるが、ボディ層１０７とドリフト層１０５との境界よりも浅い位置でキャリア濃度の低下が一旦停止する。そして、ドリフト層１０５に達する位置までキャリア濃度は徐々に高くなる。このため、半導体装置１０では、ボディ層１０７の近傍のドリフト層１０５におけるキャリア濃度が高くなっており、オン抵抗が低減される。
半導体装置１０の製造方法および製造装置について、図３〜１０を参照しながら説明する。まず、図３に示すように、半導体基板５００を準備する。半導体基板５００は、裏面側から順に、コレクタ層１０１となるｐ層５０１と、ドリフト層１０５となるｎ層５０５と、ボディ層１０７となるｐ層５０７が積層されており、さらに、ｐ層５０７の表面には、エミッタ層１０９となるｎ層５０９と、ボディコンタクト層１１１となるｐ層５１１が形成されている。半導体基板５００の表面には、トレンチゲート１５０を形成する領域が開口した酸化膜のマスク５９０が形成されている。この状態で、図３に示すように、トレンチゲート１５０の第２部分１５１の伸びる第３方向に沿って、エッチングイオンを照射すると、図４に示すように、半導体基板５００に、第３方向に伸びるトレンチ５５１ａを形成することができる。
次に、図４に示すように、半導体基板５００に第４方向に沿ってエッチングイオンを照射する。これによって、図５に示すように、半導体基板５００に、第４方向に伸びるトレンチ５５３ａを形成することができる。半導体基板５００に、１つの開口部を有し、底部が分岐して２方向に伸びるトレンチを形成することができる。
ここで、半導体基板５００に第３方向または第４方向にエッチングイオンを照射する方法および装置の一例について、図９，１０を用いて説明する。図９に示すように、エッチングに用いる装置８は、チャンバ（図示しない）と、チャンバ内でエッチングイオンを発生する発生器８１０と、磁場を与えてエッチングイオンを加速する磁場発生器８２１と、ステージ８２３と、ステージ８２３に対する磁場発生器８２１の位置を調整可能な駆動機構８５０とを備えている。ステージ８２３はＲＦ電源に接続されている。ステージ８２３上にエッチング処理を行う半導体基板８３０を載置できる。
磁場発生器８２１は、１つの円筒状のコイルであり、図９には、円筒形状の長手方向に沿った断面が図示されている。駆動機構８５０は、磁場発生器８２１をチャンバ内で略円形の軌道８２４の中心周りに回転移動させることができる。軌道８２４は、磁場発生器８２１のコイル部分が移動し得る軌道を示している。駆動機構８５０は、チャンバの外から操作することができ、チャンバを開放する等によってチャンバ内の雰囲気を変えることなく、磁場発生器８２１を回転移動させることができる。磁場発生器８２１は、その円筒形状の中心軸に沿う向きの磁場を発生させることができる。図９に示すように、磁場発生器８２１の中心軸の方向がトレンチゲート１５０の第２部分１５１が伸びる第３方向となるように磁場発生器８２１のステージ８２３に対する角度を調整することによって、チャンバ内で第３方向の磁場を発生させることができる。発生器８１０によって発生したエッチングイオン８４１は、磁場発生器８２１が与える第３方向の磁場によって、第３方向に方向付けられたエッチングイオン８４３となり、半導体基板８３０に照射される。これによって、図３に示すように、半導体基板５００に第３方向のエッチングイオンを照射できる。
第３方向にエッチングイオンを照射した後、磁場発生器８２１を軌道８２４に沿って回転移動させる。チャンバ内を開放することなく、チャンバ内で軌道８２４に沿って磁場発生器８２１を回転させることができる。図１０に示すように、駆動機構８５０は、磁場発生器８２１の中心軸の方向がトレンチゲート１５０の第３部分１５３が伸びる第４方向となるように磁場発生器８２１のステージ８２３に対する角度を調整する。これによって、磁場発生器８２１は、チャンバ内で第４方向の磁場を発生させることができる。発生器８１０によって発生したエッチングイオン８４１は、磁場発生器８２１が与える第４方向の磁場によって、第４方向に方向付けられたエッチングイオン８４２となり、半導体基板８３０に照射される。これによって、図４に示すように、半導体基板５００に第４方向のエッチングイオンを照射できる。
図５の半導体基板５００について、表面酸化処理を行って、図６に示すように、トレンチ５５１ａ，５５３ａの内部にゲート絶縁膜５５１ｂ，５５３ｂを形成する。ゲート絶縁膜５５１ｂ，５５３ｂは、１つの絶縁膜として一体に形成される。
次に、図７に示すように、ゲート電極１５１ｃ，１５３ｃとなるポリシリコン層５５１を成膜する。ポリシリコン層５５１は、トレンチ５５１ａ，５５３ａ内にゲート絶縁膜５５１ｂ，５５３ｂに覆われた状態で充填され、その一部は半導体基板５００の表面に堆積される。トレンチ５５１ａ，５５３ａは、半導体基板５００の表面の開口部から、それぞれ第３方向、第４方向に沿って直線状に延びているため、ポリシリコン層５５１は空隙を包含することなく、容易にトレンチ５５１ａ，５５３ａ内に充填される。
次に、図８に示すように、半導体基板５００の表面のポリシリコン層５５１をエッチング等によって除去する。さらに、図１に示す表面絶縁膜１５５、表面電極１３１、裏面電極１３２等を形成することによって、半導体装置１０を形成することができる。
上記のとおり、半導体装置１０によれば、複数のトレンチゲート１５０のそれぞれが、半導体基板の表面に開口する第１部分１５２と、第１部分１５２からそれぞれ第３方向および第４方向に伸びる第２部分１５１および第３部分１５３とを有している。第３方向と第４方向は、それぞれ半導体基板１００の深さ方向（ｚ方向）に対して第２方向の正方向（ｘ軸の正方向）、負方向（ｘ軸の負方向）に角度を有する方向である。一のトレンチゲート１５０の第２部分１５１と、これに隣接する他のトレンチゲート１５０の第３部分１５３とは、半導体基板１００の深さ方向に沿って互いに近づく方向に伸びている。このため、隣接するトレンチゲート１５０において、その第１部分１５２の間隔を十分広く確保することと、第２部分および第３部分の間隔を狭くすることとを両立できる。なお、第１部分１５２は、半導体基板１００の表面からボディ層１０７内までｚ方向に沿ってほぼ直線状に伸びていたが、このような形状に限定されない。例えば、ｘ軸の正方向側で第２部分１５１と同様に傾斜し、ｘ軸の負方向側で第３部分１５３と同様に傾斜し、ｚ軸の負方向側から正方向側に向かって徐々にトレンチ幅（ｘ方向の幅）が狭くなるような形状を有する第１部分であってもよい。
また、第２部分１５１と第３部分１５３とは、形状および大きさがほぼ同じであり、トレンチゲート１５０のｘ方向の中央位置を通るｙｚ平面に対して、互いに逆向きであり、同じ傾斜角を成す方向に伸びている。第１部分１５２から分岐した第２部分１５１と第３部分１５３が対を成し、かつ、ｙｚ平面について対称であるため、半導体装置１０のオン時の電流経路についても、第２部分１５１側と第３部分１５３側でほぼ同じ長さとなり、電流経路にばらつきが生じない。例えば、トレンチゲート１５０が３つに分岐しており、第２部分１５１と第３部分１５３との間に、ｚ軸の負方向に沿って伸びる中央部分をさらに備える場合には、この中央部分の電流経路の長さと、第２部分１５１および第３部分１５３の電流経路の長さとが相違する。電流経路にばらつきがあると、より電流が流れ易い経路に大電流が流れ、素子破壊の原因となる場合がある。半導体装置１０は、電流経路にばらつきが生じないため、素子破壊が起こりにくい。
また、半導体装置１０では、第１部分１５２と、第２部分１５１および第３部分１５３との接続位置の下方にボディ層１０７が存在している。このため、半導体装置１０のオフ時に、第２部分１５１および第３部分１５３との接続位置の下方のキャリアが速やかに排出される。これによって、その後、半導体装置１０を再度ターンオンする際のオン電圧が安定する。
また、第２部分１５１と第３部分１５３のそれぞれの形状は、従来の半導体装置７０のような半導体基板７００の深さ方向に伸びるトレンチゲート７５０と同様に一方向に沿って直線状に延びる形状とすることができる。このため、製造工程が簡易であり、ゲート電極１５１ｃ，１５３ｃは空隙を包含することなくトレンチ１５１ａ，１５３ａ内に充填できる。
また、半導体装置１０の製造工程において、装置８を用いれば、可動式の磁場発生器８２１が発生する磁場の方向を容易に調整でき、エッチングイオンの照射角度を容易に調整できる。このため、半導体装置１０の製造工程において、半導体基板５００に第３方向、第４方向に伸びるトレンチ５５１ａ，５５３ａを容易に形成することができる。
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

Claims (4)

  1. 半導体基板と、
    第１方向に伸びるとともに、第１方向に直交する第２方向に間隔を空けて配置された複数のトレンチゲートとを備え、
    複数のトレンチゲートは、１つの開口部を有し、底部が分岐して２方向に伸びており、
    開口部は、半導体基板の表面に開口する第１部分であり、
    底部は、第１部分から半導体基板の深さ方向に対して第２方向の正方向に傾斜する方向に伸びる第２部分と、第１部分から半導体基板の深さ方向に対して第２方向の負方向に傾斜する方向に伸びる第３部分との２つの部分によって構成されている、半導体装置。
  2. 第２部分の半導体基板の深さ方向に対する傾斜角は、第３部分の半導体基板の深さ方向に対する傾斜角に等しい、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 半導体基板は、第１導電型のドリフト層と、ドリフト層に対して半導体基板の表面側に設けられた第２導電型のボディ層とを備え、
    第１部分と第２部分および第３部分との接続位置の下方に、ボディ層が存在する、請求項１または２に記載の半導体装置。
  4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置の製造装置であって、
    チャンバと、
    チャンバ内に設置された、半導体基板を載置するステージと、
    チャンバ内にエッチングイオンを発生させる発生器と、
    チャンバ内でエッチングイオンに磁場を与える磁場発生器と、
    ステージに対する磁場発生器の位置を調整して磁場の方向を調整可能な駆動機構と、を備える、半導体装置の製造装置。
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