(57)【要約】【課題】高温での加熱処理に起因する水素の脱離を抑制する。【解決手段】本明細書が開示する半導体装置の製造方法は、トレンチ型絶縁ゲートを有する半導体装置の製造方法であって、半導体基板の表面にトレンチを形成する工程と、トレンチの内面における原子の未結合手を水素終端化する工程と、トレンチの内面に、第１絶縁膜及び第２絶縁膜を形成する工程と、第１絶縁膜及び第２絶縁膜を形成したトレンチの内部に、ゲート電極を形成する工程とを備える。この製造方法において、第２絶縁膜は、第１絶縁膜よりも水分を多く含んでいる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トレンチ型絶縁ゲートを有する半導体装置の製造方法であって、
半導体基板の表面にトレンチを形成する工程と、
前記トレンチの内面における原子の未結合手を水素終端化する工程と、
前記トレンチの前記内面に、第１絶縁膜及び第２絶縁膜を形成する工程と、
前記第１絶縁膜及び前記第２絶縁膜を形成したトレンチの内部に、ゲート電極を形成する工程と、
を備え、
前記第２絶縁膜は、前記第１絶縁膜よりも水分を多く含んでいる、
製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、トレンチ型絶縁ゲートを有する半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、トレンチ型絶縁ゲートを有する半導体装置の製造方法が開示されている。半導体基板の表面にトレンチを形成する工程と、トレンチの内面における原子の未結合手を水素終端化する工程と、トレンチの内面に、絶縁膜を形成する工程と、絶縁膜を形成したトレンチの内部に、ゲート電極を形成する工程とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−２２１８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このようなトレンチ型絶縁ゲートを有する半導体装置では、半導体基板のトレンチ内面と、該トレンチ内面に形成された絶縁膜との界面において、原子における未結合手（ダングリングボンド）による界面準位が生じる。この界面準位は、半導体装置のオン抵抗増加やゲート絶縁膜寿命低下の要因となり得る。これらの課題を解決するために、未結合手を水素で終端化することで界面準位を消失又は低減させる手法がよく用いられている。しかしながら、その後に行われる他の製造工程において、高温での加熱処理（例えば、酸化工程やシンター工程など）が行われことがある。この場合、それに起因して未結合手を終端化させていた水素が脱離することがある。本明細書は、そのような水素の脱離を抑制する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する半導体装置の製造方法は、トレンチ型絶縁ゲートを有する半導体装置の製造方法であって、半導体基板の表面にトレンチを形成する工程と、トレンチの内面における原子の未結合手を水素終端化する工程と、トレンチの内面に、第１絶縁膜及び第２絶縁膜を形成する工程と、第１絶縁膜及び第２絶縁膜を形成したトレンチの内部に、ゲート電極を形成する工程とを備える。この製造方法において、第２絶縁膜は、第１絶縁膜よりも水分を多く含んでいる。
【０００６】
この製造方法では、第１絶縁膜及び第２絶縁膜を形成する工程を備えており、その第２絶縁膜は、第１絶縁膜よりも水分を多く含んでいる。この場合、水素で未結合手を終端化した後に、高温での加熱処理が行われたとしても、第２絶縁膜に含有される水がゲート電極において還元され、絶縁膜と半導体基板との界面に水素が供給される。これにより、水素による終端化が維持、回復又は促進され、高温での加熱処理に起因する水素脱離は抑制される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施例１の半導体装置１０の内部構造を示す。
【図２】半導体基板１２を用意する工程を示す。
【図３】半導体基板１２の上面１２ａにトレンチ１２ｔを形成する工程を示す。
【図４】トレンチ１２ｔの内面に第１ゲート絶縁膜１４を形成する工程を示す。
【図５】第１ゲート絶縁膜１４の内面に第２ゲート絶縁膜１６を形成する工程を示す。
【図６】第１ゲート絶縁膜１４及び第２ゲート絶縁膜１６が形成されたトレンチ１２ｔの内部にゲート電極１８を形成する工程を示す。
【図７】高温での加熱処理におけるトレンチ１２ｔ周辺の水素の挙動を模式的に示す。
【図８】実施例２のトレンチ１２ｔに係る構成を示す。
【図９】実施例３のトレンチ１２ｔに係る構成を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本技術の一実施形態では、半導体基板は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）で構成されていてもよい。トレンチ側面の界面準位に係る問題は、炭化ケイ素を用いた半導体装置において特に問題とされており、そのような半導体装置に本技術を適用することで、より大きな効果を得ることができる。但し、半導体基板を構成する材料は特に限定されず、例えばケイ素（Ｓｉ）で構成されていてもよい。
【０００９】
本技術の一実施形態では、半導体基板におけるトレンチの内面と第２絶縁膜との間に、第１絶縁膜が介在していてよい。この場合、第２絶縁膜は、半導体基板のトレンチの側壁に直接的に接触し難い。したがって、水分を多く含む第２絶縁膜が、トレンチの側壁に生じるチャネルと隣接することによって生じ得る、電気的短絡を抑制することができる。
【００１０】
本技術の一実施形態では、第２絶縁膜がゲート電極に接していてよい。この場合、第２絶縁膜の水分は、ゲート電極に拡散され易い。これにより、ゲート電極において水の還元反応が良好に行われ、絶縁膜と半導体基板との界面に効率良く水素を供給することができる。
【実施例】
【００１１】
（実施例１）図面を参照して、実施例の半導体装置１０とその製造方法について説明する。半導体装置１０は、一例ではあるが、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）の単位構造を繰り返し有するパワー半導体装置である。但し、本明細書で開示する技術は、ＭＯＳＦＥＴに限られず、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）といった、半導体基板にトレンチを有する各種の半導体装置にも採用することができる。
【００１２】
先ず、図１を参照して、半導体装置１０の構成について説明する。図１に示すように、半導体装置１０は、半導体基板１２、ソース電極２２、ドレイン電極２４及び複数のゲート電極１８を備える。ソース電極２２とドレイン電極２４は、導電性を有する材料で構成されている。この材料には特には限定されないが、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）といった金属材料を採用することができる。但し、ソース電極２２とドレイン電極２４の具体的な構成については特に限定されない。ソース電極２２は、半導体基板１２の上面１２ａにオーミック接触しており、ドレイン電極２４は、半導体基板１２の下面１２ｂにオーミック接触している。
【００１３】
ゲート電極１８は、半導体基板１２の上面１２ａに形成されたトレンチ１２ｔ内に位置している。ゲート電極１８は、導電性を有する材料で構成されており、その材料には、例えばアルミニウム系又は他の金属を採用することができる。トレンチ１２ｔの内面には、第１ゲート絶縁膜１４及び第２ゲート絶縁膜１６が形成されており、ゲート電極１８は、第１ゲート絶縁膜１４及び第２ゲート絶縁膜１６を介してトレンチ１２ｔの内面に対向している。第１ゲート絶縁膜１４及び第２ゲート絶縁膜１６は、一例ではあるが、トレンチ１２ｔの内面に、第１ゲート絶縁膜１４、第２ゲート絶縁膜１６の順で積層された二層構造を有する。第１ゲート絶縁膜１４は、例えば酸化シリコンといった、絶縁性を有する材料で構成される。第２ゲート絶縁膜１６は、例えばＢＰＳＧ（Boron Phosphorus Silicon Glass）といったボロン（Ｂ）やリン（Ｐ）がドープされた酸化シリコンのように、第１ゲート絶縁膜１４よりも水分を多く含む絶縁性を有する材料で構成される。ここで、第１ゲート絶縁膜１４及び第２ゲート絶縁膜１６は、本技術における第１絶縁膜及び第２絶縁膜のそれぞれ一例である。ソース電極２２とゲート電極１８との間には、層間絶縁膜２０が介在しており、ソース電極２２とゲート電極１８とは互いに絶縁されている。なお、層間絶縁膜２０には、複数のコンタクトホール２０ａが形成されており、ソース電極２２は、コンタクトホール２０ａを通じて半導体基板１２の上面１２ａに接触する。
【００１４】
半導体基板１２は、例えば炭化ケイ素を用いて構成される。但し、本明細書に開示する技術は、炭化ケイ素に限られず、例えばケイ素といった他の半導体材料を用いて構成することもできる。半導体基板１２は、ドレイン層２６、ドリフト層２８、ボディ層３０、及び、複数のソース領域３２を備える。ドレイン層２６は、ｎ型不純物（例えばリン）がドープされたｎ型の半導体領域である。ドレイン層２６は、半導体基板１２の下面１２ｂに沿って位置しており、ドレイン電極２４に接触している。ドレイン層２６におけるｎ型不純物の濃度は十分に高く、ドレイン電極２４はドレイン層２６にオーミック接触している。ドリフト層２８は、ｎ型不純物がドープされたｎ型の半導体領域であり、ドレイン層２６に積層されている。ドリフト層２８におけるｎ型不純物の濃度は、ドレイン層２６におけるｎ型不純物の濃度よりも低い。
【００１５】
ボディ層３０は、ｐ型不純物（例えばアルミニウム）がドープされたｐ型の半導体領域である。ボディ層３０は、ドリフト層２８上に積層されており、ドリフト層２８と直接的に接触している。また、ボディ層３０は、半導体基板１２の上面１２ａにおいてソース電極２２に接触している。なお、ボディ層３０のソース電極２２に接触する部分は、ｐ型不純物の濃度が高められており、これによってソース電極２２はボディ層３０にオーミック接触している。ソース領域３２は、ｎ型不純物がドープされたｎ型の半導体領域である。ソース領域３２は、半導体基板１２の上面１２ａにおいて、ソース電極２２に接触している。また、ソース領域３２は、ボディ層３０を介してドリフト層２８から隔離されている。ソース領域３２におけるｎ型不純物の濃度は十分に高く、ソース電極２２はソース領域３２にオーミック接触している。
【００１６】
トレンチ１２ｔは、半導体基板１２の上面１２ａから、ソース領域３２及びボディ層３０を通過して、ドリフト層２８まで伸びている。ソース領域３２は、トレンチ１２ｔの両側に位置しており、トレンチ１２ｔに隣接している。トレンチ１２ｔ内のゲート電極１８は、ソース領域３２、ボディ層３０及びドリフト層２８に、ゲート絶縁膜１４、１６を介して対向している。これにより、ソース電極２２に対してゲート電極１８に正電圧が印加されると、ボディ層３０のトレンチ１２ｔに隣接する領域がｎ型に反転し、ソース領域３２とドリフト層２８との間を延びるｎ型のチャネルが、トレンチ１２ｔに沿って形成される。この状態は、半導体装置１０がターンオンされた状態であり、ソース電極２２とドレイン電極２４との間が電気的に接続される。
【００１７】
図２〜７を参照して、実施例の半導体装置１０の製造方法について説明する。但し、ここでは特に、半導体基板１２上にトレンチゲートを形成する工程について説明する。他の構成要素を形成する工程については、公知である各種の手法を適宜用いて形成することができ、ここでは説明を省略する。先ず、図２に示すように、半導体基板１２を用意する。ここで、半導体基板１２内には、前述した各半導体領域２６、２８、３０、３４が既に形成してあるものとする。但し、説明の便宜上、半導体基板１２の内部構造についての図示は省略する。
【００１８】
次いで、図３に示すように、半導体基板１２の上面１２ａにトレンチ１２ｔを形成する。トレンチ１２ｔは例えばエッチング等によって形成することができる。トレンチ１２ｔを形成後、水素アニール処理を行う。これにより、半導体基板１２のトレンチ１２ｔの内面に存在していた原子の未結合手を終端化し、それに起因する界面準位を消失又は低減させる。なお、この水素アニール処理は、トレンチ１２ｔの内面における原子の未結合手を水素終端化する処理の一例である。しかしながら、その後に行われる他の製造工程において、高温での加熱処理（例えば、酸化工程やシンター工程など）が行われることがある。ここでいう高温は、例えば４００℃以上の温度領域のことを指す。上記のような加熱処理を行うことで、それに起因して、トレンチ１２ｔの形成後に未結合手を終端化させていた水素が脱離することがある。
【００１９】
上記課題に対して、本実施例の製造方法では、図４、５に示すように半導体基板１２のトレンチ１２ｔの内面に、第１ゲート絶縁膜１４及び第２ゲート絶縁膜１６を形成する。第１ゲート絶縁膜１４及び第２ゲート絶縁膜１６は、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などによって形成してもよい。上述したが、第２ゲート絶縁膜１６は、ボロンやリンがドープされた酸化膜（例えば、ＢＰＳＧ）といった、第１ゲート絶縁膜１４よりも水分を多く含む絶縁性を有する材料で構成される。この場合、水素で未結合手を終端化した後に、高温（例えば４００℃以上）での加熱処理が行われたとしても、第２ゲート絶縁膜１６に含有される水がゲート電極１８において還元され、第１ゲート絶縁膜１４と半導体基板１２との界面に水素が供給される。これにより、水素による終端化が維持、回復又は促進され、前述した高温での加熱処理に起因する水素脱離は抑制される。また、本実施例では、半導体基板１２におけるトレンチ１２ｔの内面と第２ゲート絶縁膜１６との間に、第１ゲート絶縁膜１４が連続的に介在して形成されている。この場合、第２ゲート絶縁膜１６は、半導体基板１２のトレンチ１２ｔの側壁に直接的に接触することがない。したがって、水分を多く含む第２ゲート絶縁膜１６がトレンチ１２ｔの側壁に生じるチャネルと隣接することによって生じ得る、電気的短絡を抑制することができる。但し、第１ゲート絶縁膜１４は、トレンチ１２ｔの内面に連続的に形成されず、断続的に形成されていてもよい。
【００２０】
図６に示すように、第２ゲート絶縁膜１６を形成した後、第２ゲート絶縁膜１６の内部にゲート電極１８を形成する。ゲート電極１８は、例えばスパッタリングによって形成することができる。上述したが、ゲート電極１８は、例えばアルミニウム系又は他の金属といった導電性を有する材料で構成されている。さらに、本技術におけるゲート電極１８は、高温（例えば４００℃以上）での加熱処理で酸化される材料、且つ、その生成される酸化物が第２ゲート絶縁膜１６との界面において電気的コンタクト性を阻害しない材料で構成されるとよい。具体的には、アルミニウム、マグネシウム（Ｍｇ）、シリコン、チタン、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、モリブデン（Ｍｏ）、銀（Ａｇ）、タンタル（Ｔａ）及びタングステン（Ｗ）のうち、少なくとも一つの元素を含む材料によって構成することができる。これにより、高温（例えば４００℃以上）での加熱処理によってゲート電極１８が酸化され、その生成される酸化物によって、電気的コンタクト性が低下することがないため、応答性の優れた半導体装置１０の製造をすることができる。
【００２１】
以上により、本実施例におけるトレンチゲートが完成する。その後の工程で、高温（例えば４００℃以上）での加熱処理が行われることで、ゲート電極１８では酸化反応が生じるとともに、第２ゲート絶縁膜１６では、含有する水の還元反応が生じる。この水の還元反応によって生成した水素が、第１ゲート絶縁膜１４と半導体基板１２との界面に供給される（図７参照）。さらに、本実施例では、第２ゲート絶縁膜１６がゲート電極１８に接している。この場合、第２ゲート絶縁膜１６の水分は、ゲート電極１８に拡散され易い。これにより、ゲート電極１８において水の還元反応が良好に行われ、第１ゲート絶縁膜１４と半導体基板１２との界面に効率良く水素を供給することができる。
【００２２】
従来は、上記した後工程の一例であるシンター工程（水素アニール工程、アロイ工程とも称する）において、半導体基板１２のトレンチ１２ｔ内面とゲート絶縁膜との界面における未結合手を再度水素終端化させていた。しかしながら、シンター工程では、水素供給源と水素終端化を必要とする界面との間には半導体装置における様々な構成材料を介することになり、水素終端化の効率は比較的に高くないと考えられる。本技術を採用することにより、従来よりも水素終端化する界面と近接した場所からの水素供給が可能となるため、より効果的に水素終端化を促進することが可能となる。このような効果が得られる半導体基板１２のトレンチ１２ｔに係るゲート絶縁膜１４、１６の構成は、本実施例の構成に限定されない。以下に、図８、図９を参照して他の実施例について説明する。ゲート絶縁膜１４、１６以外の他の構成材料については、実施例１と同様であり、その説明は省略する。
【００２３】
（実施例２）図８に示すように、本実施例では、半導体基板１２におけるトレンチ１２ｔの内面に、三層構造のゲート絶縁膜が形成されている。このゲート絶縁膜は、第１ゲート絶縁膜１４、第２ゲート絶縁膜１６、第１ゲート絶縁膜１４の順で積層して形成される。この点において実施例１と比較して異なっている。これら第１ゲート絶縁膜１４及び第２ゲート絶縁膜１６は、実施例１と同様にＣＶＤ法を採用して形成することができる。本実施例では、ゲート電極１８と第２ゲート絶縁膜１６とは隣接していないため、実施例１と比較すると還元反応の効率は低下するが、実施例１と同様な下記効果を得ることができる。トレンチゲート形成後に、高温（例えば４００℃以上）での加熱処理が行われることで、第２ゲート絶縁膜１６に含有される水がゲート電極１８において還元され、第１ゲート絶縁膜１４と半導体基板１２との界面に水素が供給される。これにより、水素による終端化が維持、回復又は促進され、高温（例えば４００℃以上）での加熱処理に起因する水素脱離は抑制される。
【００２４】
（実施例３）図９に示すように、本実施例では、半導体基板１２におけるトレンチ１２ｔの内面には、第２ゲート絶縁膜１６、第１ゲート絶縁膜１４の順に形成されている。この点において、実施例１と比較して異なっている。但し、このゲート絶縁膜１４、１６の構成については、特に限定されず、例えば第２ゲート絶縁膜１６のみで構成されていてもよい。本実施例においても、実施例１と同様に下記効果を得ることができる。トレンチゲート形成後に、高温（例えば４００℃以上）での加熱処理が行われることで、第２ゲート絶縁膜１６に含有される水がゲート電極１８において還元され、第２ゲート絶縁膜１６と半導体基板１２との界面に水素が供給される。これにより、水素による終端化が維持、回復又は促進され、高温（例えば４００℃以上）での加熱処理に起因する水素脱離は抑制される。但し、本実施例では、第２ゲート絶縁膜１６が半導体基板１２のトレンチ１２ｔの側壁に直接的に接している。この場合、水分を多く含む第２ゲート絶縁膜１６がトレンチ１２ｔの側壁に生じるチャネルと隣接することによって生じ得る、電気的短絡を引き起こすおそれがあり、この点において実施例１、２の構造の方が優れているといえる。
【００２５】
以上、いくつかの具体例を詳細に説明したが、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。本明細書又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る。
【符号の説明】
【００２６】
１０：半導体装置
１２：半導体基板
１２ｔ：トレンチ
１４：第１ゲート絶縁膜
１６：第２ゲート絶縁膜
１８：ゲート電極
２０：層間絶縁膜
２２：ソース電極
２４：ドレイン電極
２６：ドレイン層
２８：ドリフト層
３０：ボディ層
３２：ソース領域
【図１】
2019114705.tif 000003
【図２】
2019114705.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2019114705.tif 000008
【図７】
2019114705.tif 000009
【図８】
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【図９】
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