JP5942828B2

JP5942828B2 - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP5942828B2
Application number: JP2012268653A
Authority: JP
Inventors: 富坂　学; 学富坂; 淳志多屋; 内田　智也; 内田　　智也; 幸浩佐野
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2032-12-07
Also published as: JP2014116419A

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。

従来、所望の電気特性を得るために半導体基板にトレンチを形成し、半導体装置を製造することが行われている。例えば、半導体基板にトレンチを形成する手法としては、特許文献１に示すものがある。

特許文献１には、半導体基板の主表面に対して垂直方向に、第１トレンチ（５ａ）と、この第１トレンチ（５ａ）と連通し、対向する側壁の間隔が第１トレンチ（５ａ）の対向する側壁の間隔より長くされている第２トレンチ（５ｂ）とからなるトレンチ（５）を、異方性エッチングと等方性エッチングで形成する方法が記載されている。そして、この特許文献１では、このようなトレンチ構造にすることで、トレンチゲート型の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等の半導体装置において、オン電圧の低減化を図っている。

特開２０１２−８００７４号公報

ところで、このように、半導体基板の一方面側からエッチングでトレンチを形成する方法では、エッチングレートに限界があるために、加工に要する時間が比較的長くなってしまうといった問題があった。特に、上記特許文献１のような特殊な形状のトレンチ構造を形成する場合には、複数のエッチング工程が必要となり、加工時間の短縮化が求められていた。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、加工時間の短縮化を図ることで生産性を向上させることが可能な半導体装置の製造方法を提供することにある。

本発明は、半導体基板の一方面側から、前記半導体基板の内部に集光点を合わせてレーザ光照射装置によりレーザ光を照射し、前記半導体基板の内部に改質領域を形成する改質領域形成工程と、前記改質領域を形成した後、前記一方面側から前記改質領域までの部位及び前記改質領域をエッチングにより除去してトレンチを形成するエッチング工程と、を含み、前記エッチング工程では、前記一方面側に形成される前記トレンチの開口部の幅が、前記改質領域を除去して形成される内部部位の幅よりも狭くなるように前記トレンチを形成し、前記レーザ光照射装置により照射されるレーザ光は、パルスレーザ光であり、前記改質領域形成工程では、前記改質領域を前記レーザ光の１パルスの照射によって形成し、前記改質領域形成工程では、前記レーザ光の照射位置を順にずらして、複数の前記改質領域を順次形成するか、又は、前記レーザ光を分岐させて照射することで複数の前記改質領域を形成することを特徴とする。

請求項１の発明では、まず、半導体基板の一方面側から、半導体基板の内部に集光点を合わせてレーザ光照射装置によりレーザ光を照射し、半導体基板の内部に改質領域を形成する。そして、改質領域を形成した後、一方面側から改質領域までの部位及び改質領域をエッチングにより除去し、一方面側に形成されるトレンチの開口部の幅が、改質領域を除去して形成される内部部位の幅よりも狭くなるようにトレンチを形成するようにしている。

一般的に、レーザ光を半導体基板に照射すると、レーザ光の集光点やその近傍では、光学的損傷という現象が発生し、結晶の結合（例えば、シリコンでは共有結合）が切れて、非晶質構造または多結晶構造に変化した領域（本発明では、この領域を「改質領域」という）が形成される。本発明では、この改質領域をエッチング前に予め形成してからエッチングを行うことで、改質領域の部分を効率的に除去することができるため、加工時間の短縮化を図ることができ、生産性を向上させることが可能となる。また、レーザ光の照射条件を制御することで、所望の大きさの改質領域を形成することができるため、トレンチの開口部の幅が内部部位の幅よりも狭くなる構成を、比較的容易に形成することができる。

図１は、半導体基板にレーザ光の照射を行うレーザ光照射装置の説明図である。図２は、レーザ光の照射条件を説明する図である。図３は、レーザ光を複数に分岐させる様子を説明する説明図である。図４は、第１実施形態に係る半導体装置の製造方法における改質領域形成工程を説明する図である。図５は、第１実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるエッチング工程を説明する図である。図６は、トレンチの大きさの一例を説明する図である。図７は、第１実施形態の変形例に係る半導体装置の製造方法におけるエッチング工程を説明する図である。

［第１実施形態］
以下、この発明に係る半導体装置の製造方法について、図を参照して説明する。
本発明では、半導体基板１０の内部に集光点Ｐを合わせてレーザ光照射装置３０によりレーザ光Ｌを半導体基板１０の一方面１０ａ側から照射し、半導体基板１０の内部に改質領域Ｋを形成する。そして、この改質領域Ｋをエッチングにより除去してトレンチ２０を形成するようにしている。

まず、レーザ光Ｌを照射するレーザ光照射装置３０について、図１を参照して説明する。
図１に示すように、レーザ光照射装置３０は、レーザ光源３２と、ビームエキスパンダ３４と、ビームスプリッタ３６と、ガルバノスキャナ３８と、集光レンズ４０と、パワーメータ４２とを備えて構成されている。

レーザ光源３２としては、例えば、半導体基板１０がシリコンの場合には、発振波長が１０６４ｎｍ、発振周波数が８０ｋＨｚのＹＡＧレーザを用いることができる。また、シリコンのほか、窒化シリコンやシリコンカーバイドなどから構成された半導体基板１０を用いることもできる。

なお、図２に、各半導体基板１０において改質領域Ｋを形成するための最適なレーザの照射条件を示す。発振波長は、シリコンでは上述したように、近赤外領域となる１０００〜１１００ｎｍの範囲が好ましく、シリコンカーバイドでは紫外領域となる２４０〜２８０ｎｍの範囲が好ましく、ガリウムナイトライドでは紫外領域から可視光領域となる３００〜４００ｎｍの範囲が好ましい。パルス幅は、シリコンでは１０〜１０００ｐｓの範囲が好ましく、シリコンカーバイドでは０．１〜１０ｐｓの範囲が好ましく、ガリウムナイトライドでは１０〜１００ｐｓの範囲が好ましい。レーザ光Ｌのエネルギー密度は、それぞれ１ＧＷ／ｃｍ^２前後が好ましく、より好ましくは、０．９〜１．１ＧＷ／ｃｍ^２の範囲である。また、レーザ光Ｌの集光点Ｐは、それぞれ一方面１０ａから深さ２μｍ程度に設定するとよい。また、レーザ光のスポット径は、それぞれ、数μｍ程度とするとよく、好ましくは１μｍ前後である。

ビームエキスパンダ３４は、レーザ光源３２からのレーザ光Ｌの径を拡大すると共に、レーザ光Ｌを平行光とするためのものである。また、ビームスプリッタ３６は、計測用に一部のビームを分岐させ、パワーメータ４２側へ入射させるとともに、残りのビームをガルバノスキャナ３８を介して集光レンズ４０側へ入射させるようにしている。

ガルバノスキャナ３８は、１対のガルバノミラー３９（図１では、説明の都合上、１つのガルバノミラー３９のみ示している）を備えており、これらガルバノミラー３９によりレーザ光Ｌの照射位置を加工エリア内で任意の位置に移動させることができるようになっている。

集光レンズ４０は、レーザ光源３２から発せられ、ガルバノミラー３９で反射したレーザ光Ｌを入射して集光するものである。本発明では、半導体基板１０の内部の所定位置に集光点Ｐを設定し、改質領域Ｋを形成するようにしている。そして、本実施形態では、レーザ光照射装置３０により照射されるレーザ光Ｌは、上述のように、パルスレーザ光であり、改質領域Ｋをレーザ光Ｌの１パルスの照射によって形成するようにしている。図２に示した条件で半導体基板１０にレーザ光Ｌを１パルス照射することで、改質領域Ｋを形成することができる。また、レンズ開口数は、例えば０．５に設定するとよい。

なお、レーザ光Ｌを複数に分岐し、半導体基板１０に照射するようにしてもよい。例えば、図３（Ａ）に示すように、階段型の格子４４ａを備えた回折格子４４や、図３（Ｂ）に示すように、凹凸型の格子４４ｂを備えた回折格子４５などを、レーザ光Ｌを集光する前後（図３では、集光レンズ４０の手前）に配置してレーザ光Ｌに強度分布を生じさせ、複数のレーザ光Ｌに分岐することができる。このように、分岐した複数のレーザ光を半導体基板１０に照射することで、同時に複数の改質領域Ｋを形成することができるため、より生産性を向上させることができる。また、このような回折格子４４、４５を用いる場合には、集光レンズ４０は、球面のシリンドリカルレンズ、非球面のシリンドリカルレンズ、fθレンズ、非球面レンズなどを用いるとよい。なお、回折格子４４、４５を用いる構成のほか、ガルバノスキャナ３８によっても、複数のレーザ光Ｌに分岐することができる。

次に、半導体基板１０にトレンチ２０を形成する工程について、図４〜６を参照しながら説明する。本実施形態では、半導体基板の内部に改質領域Ｋを形成する改質領域形成工程と、この改質領域Ｋをエッチングにより除去するエッチング工程とを主に説明する。なお、本実施形態では、シリコンを主体として構成された半導体基板１０を用いた場合を例に挙げて説明する。

（改質領域形成工程）
まず、改質領域形成工程について説明する。
改質領域形成工程では、まず、図４（Ａ）に示すように、半導体基板１０の一方面１０ａからの深さｄが３μｍの位置に、レーザ光照射装置３０によりレーザ光Ｌを１パルス照射し、改質領域Ｋを形成する（図４（Ｂ））。なお、図４（Ａ）に示す例では、レーザ光Ｌの照射位置を順にずらして、複数の改質領域Ｋを所定方向に並ぶように順次形成するようにしているが、上述したように、レーザ光Ｌを分岐させて、同時に複数の改質領域Ｋを形成することもできる。これら各改質領域Ｋの間隔は、例えば、1μｍで形成するとよい。そして、本実施形態では、これら複数の改質領域Ｋが並ぶ方向を「幅方向」とする。

また、改質領域Ｋの形状は、少なくとも内部部位の底部の内壁面が湾曲面となるように形成されている。また、半導体基板１０の厚さ方向及び幅方向に直交する平行な切断面で切断したときの外周部の形状が、略円形状となっている。具体的に、この切断面において、集光点Ｐを中心として、楕円形状となるように形成されている。例えば、この楕円形状に形成される改質領域Ｋのサイズは、この切断面において、例えば、高さ（半導体基板１０の厚さ方向の幅）が３μｍ程度、幅（半導体基板１０の幅方向の幅）が２μｍ程度で形成するとよい。また、この改質領域Ｋは、幅方向と直交する方向に奥行き（厚み）を持つ形状（すなわち、幅方向と直交する方向に列状に延びる形状）とするとよい。

次に、このように改質領域Ｋを形成した半導体基板１０の一方面１０ａ側を覆うように、ＳｉＯ_２膜をＣＶＤ（化学気相成長）法などにより形成し（図４（Ｃ））、各改質領域Ｋが形成された領域の上部が開口するように、ＳｉＯ_２膜をパターニングする（図４（Ｄ））。この工程で形成されるＳｉＯ_２膜の開口部１２ａの幅は、後述のエッチング工程にて改質領域Ｋを除去して形成される内部部位の幅よりも狭くなるように形成する。

（エッチング工程）
次に、エッチング工程について説明する。
上述のようにレーザ光Ｌを照射して形成した改質領域Ｋは、光学的損傷により、一旦溶融した後に凝固して、多結晶シリコンまたはアモルファスシリコンに変化しており、結晶の結合が弱くなっているため、比較的短時間で当該エッチング工程を行うことができる。なお、本エッチング工程では、ドライエッチングを用いてもよく、ウェットエッチングを用いてもよい。まず、ドライエッチングで行う場合について説明する。

図５（Ａ）に示すように、一方面側１０ａから改質領域Ｋまでの部位を、エッチングにより除去する。このドライエッチングは、例えば、Ａｒ、ＣＦ_４、ＳＦ_６、ＨＢｒ、Ｏ_２、ＣＨＦ_３などのガスを、１〜１００Ｐａの圧力で、電力４００Ｗ程度、周波数１３．５６ＭＨｚのプラズマで励起して行うことができる。

そして、一方面側１０ａから改質領域Ｋまでの部位を除去した後、連続的にエッチングを行い、改質領域Ｋを除去し（図５（Ｂ））、さらに、ＳｉＯ_２膜を除去して、トレンチ２０を形成する（図５（Ｃ））。なお、このトレンチ２０は、開口部２０ａの幅が、改質領域Ｋを除去して形成される内部部位の幅よりも狭くなるように形成される。例えば、図６に示すように、半導体基板１０の一方面１０ａと直交する断面において、各トレンチ２０の中心間距離（各集光点Ｐの焦点位置間の距離）ａは５μｍ程度、各トレンチ２０の距離ｂは１μｍ程度、一方面１０ａと平行する方向（面内方向）において最大となる径の大きさｃ（楕円の短径）は４μｍ程度、トレンチ２０の開口部２０ａから底部までの距離ｄは５μｍ程度で形成することができる。

次に、ウェットエッチングで行う場合を説明する。
まず、一方面側１０ａから改質領域Ｋまでの部位を、例えば、ＫＯＨを３２％に希釈し、８０℃に加熱したアルカリ溶液などを用いた異方性ウェットエッチングを1分間行い、除去する。そして、改質領域Ｋを、例えば、ＨＦにＨＮＯ_３やＣＨ_３ＣＯＯＨを添加した酸溶液を用いた等方性エッチングを数秒行い除去し、トレンチ２０を形成することができる。なお、ドライエッチングとウェットエッチングを組み合わせてエッチングを行うようにしてもよい。

そして、このようにエッチング工程でトレンチ２０を形成した後、電極などを形成し、半導体装置１を製造することができる。

以上説明したように、本第１実施形態に係る半導体装置１の製造方法によれば、まず、半導体基板１０の一方面１０ａ側から、半導体基板１０の内部に集光点Ｐを合わせてレーザ光照射装置３０によりレーザ光Ｌを照射し、半導体基板１０の内部に改質領域Ｋを形成する。そして、改質領域Ｋを形成した後、一方面１０ａ側から改質領域Ｋまでの部位及び改質領域Ｋをエッチングにより除去し、一方面１０ａ側に形成されるトレンチ２０の開口部２０ａの幅が、改質領域Ｋを除去して形成される内部部位の幅よりも狭くなるようにトレンチ２０を形成するようにしている。
このように、改質領域Ｋをエッチング前に予め形成してからエッチングを行うことで、改質領域Ｋの部分を効率的に除去することができるため、加工時間の短縮化を図ることができ、生産性を向上させることが可能となる。また、レーザ光Ｌの照射条件を制御することで、所望の大きさの改質領域Ｋを形成することができるため、トレンチの開口部２０ａの幅が内部部位の幅よりも狭くなる構成を、比較的容易に形成することができる。

また、改質領域形成工程では、内部部位の内壁面が湾曲面となるように改質領域Ｋを形成するようにしている。このように構成することで、電界が集中しやすい角張った部分が少なくなるため、より耐圧を高めることができる。

また、レーザ光照射装置３０により照射されるレーザ光Ｌは、パルスレーザ光であり、改質領域形成工程では、改質領域Ｋをレーザ光Ｌの１パルスの照射によって形成するようにしている。このように、改質領域Ｋを１パルスの照射で形成することで、より加工時間を短縮することができる。

また、エッチング工程は、ドライエッチングを用いて行われるようにしている。このように、ドライエッチングを用いる場合には、比較的短時間で精度良くエッチング工程を行うことができる。

また、エッチング工程は、ウェットエッチングを用いて行われるようにしてもよい。このように、ウェットエッチングを用いる場合には、製造コストを抑えることができる。

次に、本発明の第１実施形態における変形例に係る半導体装置１の製造方法について、図７を参照して説明する。本第１実施形態における変形例では、エッチング工程を、レーザ光を用いて行う点が、上記第１実施形態にて述べた製造方法と主に異なる。したがって、第１実施形態の半導体装置１と実質的に同一の構成部分には、同一符号を付し、その説明を省略する。

本変形例では、例えば、第１実施形態と同様の条件で、レーザ光Ｌを照射して改質領域Ｋを形成した後、レーザ光Ｌ’を用いてエッチングを行い、トレンチ２０を形成する。このエッチング工程で用いられるレーザ光Ｌ’としては、改質領域形成工程にて用いられるレーザ光Ｌとは異なる波長であって、このレーザ光Ｌよりも半導体基板１０での透過度合いが低いレーザ光Ｌ’、具体的には、半導体基板１０に対して非透過となるものが用いられる。より具体的には、例えば、半導体基板１０がシリコンの場合、改質領域形成工程では、上述したように１０００〜１１００ｎｍの波長（近赤外光）のレーザ光Ｌを用い、エッチング工程では、５００〜５５０ｎｍの波長（緑色光）のレーザ光Ｌ’を用いる。

このレーザ光Ｌ’の光源としては、例えば、ＹＡＧレーザ、ＣＯ_２レーザ、半導体レーザを用いることができる。また、レーザ光Ｌ’の照射条件は、例えば、出力を１Ｗ、発振波長を５１５ｎｍ、発振周波数を１ｋＨｚ、パルス幅を１〜１０ｐｓ、レンズ開口数を０．５とするとよい。そして、このエッチング工程では、まず、集光点Ｐを半導体基板１０の表面に合わせてレーザ光Ｌ’を照射し（図７（Ａ））、１００ｎｍ程度除去して、一方面側１０ａから改質領域Ｋまでの部位を開口させる（図７（Ｂ））。次に、集光点Ｐを深さ１００ｎｍ程度に設定して、レーザ光Ｌ’をさらに照射して、改質領域Ｋを除去し（図７（Ｃ））、トレンチ２０を形成することができる。例えば、複数種類の波長のレーザ光を照射可能な設備が既に導入されている場合などに、このように、エッチング工程もレーザ光Ｌ’を用いて行うようにすれば、より低コストに半導体装置１を製造することができる。

１…半導体装置
１０…半導体基板
１０ａ…一方面
２０…トレンチ
２０ａ…トレンチの開口部
３０…レーザ光照射装置
Ｋ…改質領域
Ｌ…レーザ光
Ｐ…集光点

Claims

半導体基板（１０）の一方面（１０ａ）側から、前記半導体基板（１０）の内部に集光点（Ｐ）を合わせてレーザ光照射装置（３０）によりレーザ光（Ｌ）を照射し、前記半導体基板（１０）の内部に改質領域（Ｋ）を形成する改質領域形成工程と、
前記改質領域（Ｋ）を形成した後、前記一方面（１０ａ）側から前記改質領域（Ｋ）までの部位及び前記改質領域（Ｋ）をエッチングにより除去してトレンチ（２０）を形成するエッチング工程と、を含み、
前記エッチング工程では、前記一方面（１０ａ）側に形成される前記トレンチ（２０）の開口部（２０ａ）の幅が、前記改質領域（Ｋ）を除去して形成される内部部位の幅よりも狭くなるように前記トレンチ（２０）を形成し、
前記レーザ光照射装置（３０）により照射されるレーザ光（Ｌ）は、パルスレーザ光であり、
前記改質領域形成工程では、前記改質領域（Ｋ）を前記レーザ光（Ｌ）の１パルスの照射によって形成し、
前記改質領域形成工程では、前記レーザ光（Ｌ）の照射位置を順にずらして、複数の前記改質領域（Ｋ）を順次形成するか、又は、前記レーザ光（Ｌ）を分岐させて照射することで複数の前記改質領域（Ｋ）を形成することを特徴とする半導体装置（１）の製造方法。
前記改質領域形成工程では、前記内部部位の内壁面が湾曲面となるように前記改質領域（Ｋ）を形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置（１）の製造方法。
前記エッチング工程は、ドライエッチングを用いて行われることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置（１）の製造方法。
前記エッチング工程は、ウェットエッチングを用いて行われることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置（１）の製造方法。
前記エッチング工程は、前記改質領域形成工程にて用いられるレーザ光（Ｌ）とは異なる波長であって前記半導体基板（１０）に対して非透過となるレーザ光（Ｌ’）を用いて行われることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置（１）の製造方法。