(57)【要約】【課題】トレンチを埋めるポリシリコン層の表面に深い窪みを残さずに半導体装置を製造する。【解決手段】半導体基板１０にトレンチ５０を形成する。トレンチ５０の内壁を含む半導体基板１０の表面に酸化膜１２を形成する。トレンチ５０を埋め込むようにポリシリコン層１８を形成する。その際、トレンチ５０の開口部に窪み５２が形成される。ポリシリコン層１８に電気的に不活性なイオンを注入して表層２０をアモルファス化する。表層２０をアモルファス化したポリシリコン層１８を熱酸化処理する。ポリシリコンの表層２０はアモルファス化しているので、熱酸化処理によって酸化する際に平坦化される。従って、トレンチ５０内部以外のポリシリコン層１８を除去しても、トレンチ５０の開口部でポリシリコンの表面に深い窪みが残ることがない。トレンチ５０を埋めるポリシリコン層の表面に深い窪みのない半導体装置を製造できる。【選択図】図５
2008294125.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トレンチゲートを有する半導体装置の製造方法であり、
トレンチが形成された半導体基板の表面に、該トレンチを埋め込むようにポリシリコン層を形成する工程と、
ポリシリコン層に、電気的に不活性なイオンを注入してポリシリコン層の表層をアモルファス化する工程と、
前記ポリシリコン層を熱酸化処理する工程と、
トレンチ内部以外のポリシリコン層を除去する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
電気的に不活性なイオンが、アルゴンイオンとヘリウムイオンのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
ポリシリコン層を形成する工程が、トレンチが形成された半導体基板の表面に、導電性不純物をドープしたドープドポリシリコン層と導電性の不純物をドープしていないノンドープドポリシリコン層を積層する工程を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トレンチ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】
半導体基板上にトレンチが形成されている半導体装置が知られている。トレンチを形成する目的は２種類に大別される。ひとつは、トレンチを半導体素子のゲートに利用するものであり、他のひとつは、トレンチを半導体基板を相互に絶縁された複数の領域に分離するために利用するものである。前者の場合にはトレンチがポリシリコンで埋められ、後者の場合にはトレンチが絶縁物質（例えば酸化シリコン）で埋められることが多い。本明細書では、トレンチを半導体素子のゲートに利用する半導体装置を、トレンチゲートを有する半導体装置と称し、トレンチを半導体基板の領域分離に利用する半導体装置を、領域分離トレンチを有する半導体装置と称する。
【０００３】
トレンチをポリシリコン或いは絶縁物質で埋める工程は一般に次の通りである。まず、ＣＶＤ法などによって、トレンチを埋め込むように半導体基板の表面にポリシリコン層或いは絶縁層を形成する。その後、エッチング処理などによってトレンチ内部以外のポリシリコン層或いは絶縁層を除去する。なお、絶縁層を形成する場合には熱酸化法が用いられる場合もある。以下では、トレンチを埋め込むように半導体基板の表面に形成するポリシリコン層や絶縁層をポリシリコン層等と総称する。
【０００４】
ところで、トレンチを埋め込むように半導体基板の表面にポリシリコン層等を形成する場合、そのポリシリコン層等は、トレンチの内壁からその厚みが徐々に成長するため、トレンチの開口部でポリシリコン層等の表面に深い窪みが形成されてしまう。
深い窪みが存在する状態で基板表面のポリシリコン層等をエッチングすると、表面の窪みの形状が維持されたまま表層から徐々にエッチングされるので、結果的にトレンチの開口部に深い窪みが残ってしまう。深い窪みが残っていると、その窪みの上に配線等を形成する場合に断線し易くなる。トレンチゲートの場合には、窪みの存在によってゲート不良が生じ易くなる。
基板上にトレンチを有する半導体装置では、製造の際に、トレンチを埋めるポリシリコン層等の表面に深い窪みを残さない技術が望まれている。
【０００５】
特許文献１に、上記した窪みを平坦化することができる、領域分離トレンチを有する半導体装置の製造方法が提案されている。
特許文献１には次の３つの製造方法が開示されている。第１の製造方法は、トレンチを埋め込むように形成した分離酸化膜（絶縁層）の表面から所定の深さにかけて、その分離酸化膜の軟化点を低下させる元素（ホウ素）をイオン注入して分布させる工程と、その分離酸化膜を熱処理する工程を含む。第２の方法は、トレンチを埋め込むように形成した分離酸化膜の表面から所定の深さにかけて、シリコンを注入して分布させる工程と、その分離酸化膜を熱処理する工程を含む。第３の製造方法は、トレンチを埋め込むように形成した分離酸化膜の上にアモルファスシリコン膜を形成する工程と、その分離酸化膜とアモルファスシリコン膜を熱処理する工程を含む。
【０００６】
第１の方法によると、軟化点を低下させた分離酸化膜の表面が熱処理によって溶融して窪みが平坦化される。第２の方法によると、シリコンが注入されたシリコン過剰部分が熱処理によって酸化される際に窪みが平坦化される。第３の方法によると、分離酸化膜の上に形成されたアモルファスシリコン膜が熱処理によって酸化され、分離酸化膜と一体化する。即ち、第３の方法は、分離酸化膜の表面の窪みを新たな酸化膜で埋めて平坦化するものである。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−３１２６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１の技術は、トレンチが絶縁物質で埋められる領域分離トレンチを有する半導体装置の製造方法である。トレンチゲートを有する半導体装置の場合、トレンチ内は絶縁物質ではなく、半導体物質であるポリシリコンで埋められる。トレンチ内部のポリシリコンが半導体のゲートとして機能するため、特許文献１の技術をトレンチゲートを有する半導体装置に適用しようとすると、以下の課題が生じる。
特許文献１に開示された第１の方法（トレンチを埋める物質に、その軟化点を低下させる元素をイオン注入する方法）では、イオン注入する元素の種類によってはその元素がゲート特性に悪影響を及ぼす虞がある。例えばホウ素が混入したポリシリコンでゲートが形成されると、意図したゲート特性が得られなくなる虞がある。
第２の方法（トレンチを埋める物質にシリコンを注入する方法）でも同様に、注入したシリコンによって、ゲートを形成するポリシリコンに含まれる導電性不純物の割合が変化してしまうため、意図したゲートの特性が得られなくなる虞がある。
第３の方法（トレンチを埋める物質の上にアモルファスシリコン膜を形成する方法）では、ポリシリコン層を形成する工程とは別に新たなアモルファスシリコン膜を形成する必要があるため時間的な或いは経済的な製造コストが増大する。
本発明は、トレンチゲートを有する半導体装置を製造する場合に、トレンチを埋める物質がポリシリコンであることを巧みに利用して、トレンチの開口部でポリシリコン層の表面に形成される窪みを平坦化する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による製造方法は以下の工程を含む。まず、トレンチが形成された半導体基板の表面に、該トレンチを埋め込むようにポリシリコン層を形成する。次いで、そのポリシリコン層に、電気的に不活性なイオンを注入してその表層をアモルファス化する。次いで、アモルファス化したポリシリコン層を熱酸化処理する。次いで、トレンチ内部以外のポリシリコン層を除去する。
半導体基板の表面にポリシリコン層を形成する場合、ポリシリコンは結晶化しながら層が形成される。本発明は、結晶化したポリシリコン層の表層をイオン注入によってアモルファス化する。アモルファス化したポリシリコンは、結晶化しているポリシリコンに比較すると、酸化の過程で表面の起伏が平坦化されることが知られている。従って、表層をアモルファス化したポリシリコン層を熱酸化処理することによって、ポリシリコン層を形成したときにトレンチ開口部に形成される窪みを浅く（平坦化）することができる。
熱酸化処理によってポリシリコン層の表面の窪みが平坦化されるので、トレンチ内部以外のポリシリコン層を除去しても、トレンチの開口部に深い窪みが残ることはない。
【００１０】
本発明では、トレンチを埋めるように形成したポリシリコン層に、電気的に不活性なイオンを注入する。電気的に不活性なイオンを注入するので、トレンチ内のポリシリコンによって形成されるゲートの特性を変化させてしまうことがなく、意図したゲート特性を具現化した半導体装置を製造することができる。本明細書にいう「電気的に不活性なイオン」とは、シリコン原子と結合したときに自由電子を放出しない、或いは自由正孔を持たないイオンを意味する。電気的に不活性なイオンは、アルゴンイオンとヘリウムイオンのいずれかであることが望ましい。
【００１１】
また、トレンチを埋めるように形成する物質がポリシリコンであるので、電気的に不活性なイオンを注入することでその表層を短時間で容易にアモルファス化することができる。特許文献１のように、トレンチを埋める分離酸化膜層の上に別途アモルファスシリコン膜を形成する場合に比較して製造コストの増大を抑制することができる。
【００１２】
ポリシリコン層を形成する工程は、導電性不純物をドープしたドープドポリシリコン層と、導電性不純物をドープしていないノンドープドポリシリコン層を積層する工程を含んでよい。
ゲートの機能を発揮させるポリシリコン層には、リンなどの導電性不純物を分布させる場合がある。そのような場合、ポリシリコン層に導電性不純物を適切なプロファイルで分布させるために、導電性不純物をドープしたドープドポリシリコン層と導電性不純物をドープしていないノンドープドポリシリコン層を半導体基板上に積層し、その後、アニールする方法が採用されることがある。
導電性不純物をドープしたドープドポリシリコン層とノンドープドポリシリコン層が積層したポリシリコン層にイオン注入してその表層をアモルファス化させた後に、熱酸化処理を行うことによって、アモルファス化したポリシリコン層を酸化させるとともにポリシリコン層をアニールすることができる。なお、熱酸化処理で十分にアニールすることができずに別途に本来のアニール処理が必要な場合であっても、アモルファスシリコン層の熱酸化処理によって、本来のアニール処理に要する時間を短縮することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、トレンチの開口部でポリシリコン層の表面に深い窪みを残さずに、トレンチゲートを有する半導体装置を製造することができる。
【実施例】
【００１４】
図面を参照して、本発明に係る半導体装置の製造方法を説明する。図１〜７は、製造工程における半導体基板１０の模式的な部分的断面図を示している。なお、図１〜７には、半導体装置の製造には必要であっても、本実施例の説明には必要ない部分については図示を省略している。
まず、半導体基板１０にトレンチ５０を形成する（図１）。トレンチ５０を形成する方法は、例えば次のとおりである。半導体基板１０の表面に、トレンチ５０を形成する場所を残してレジストをパターニング形成する。その後、半導体基板１０をドライエッチングすることによって、所望の形状のトレンチ５０を形成することができる。
次に、半導体基板１０の表面に酸化膜１２を形成する（図２）。このとき、トレンチ５０の内壁にも酸化膜１２を形成する。酸化膜１２は、例えばＣＶＤ法によって形成する。
【００１５】
次に、トレンチ５０を埋め込むように、リン（導電性不純物）をドープしたポリシリコンの層（ドープドポリシリコン層１４）を半導体基板１０の表面に形成する（図３）。
ドープドポリシリコン層１４は、半導体基板１０の表面とトレンチ５０の内壁に沿って成長してその厚みが増していくため、トレンチ５０の開口部には、ドープドポリシリコン層１４の表面に深い窪み５２が形成されてしまう。
次いで、ドープドポリシリコン層１４の上面に導電性不純物をドープしないノンドープドポリシリコン層１６を形成する（図４）。ノンドープドポリシリコン層１６は、深い窪み５２が形成されたドープドポリシリコン層１４の上に成長していくため、ノンドープドポリシリコン層１６の表面にも、トレンチ５０の開口部に深い窪み５２が形成されたままとなる。
ドープドポリシリコン層１４とノンドープドポリシリコン層１６は、例えばＣＶＤ法によって形成する。ＣＶＤ法等によってドープドポリシリコン層１４とノンドープドポリシリコン層１６を形成すると、ポリシリコンが結晶化しながら層が成長していく。なお、ドープドポリシリコン層１４とノンドープドポリシリコン層１６を合わせてポリシリコン層１８と称する。
【００１６】
次に、ポリシリコン層１８の表層にアルゴンイオンを注入する。アルゴンイオンを注入することによって、結晶化していたポリシリコン層１８の表層にアモルファス化したポリシリコン層２０が形成される（図５）。
次に、ポリシリコン層１８を熱酸化処理する（図６）。そうすると、ポリシリコン層１８の表層に酸化膜２２が形成される。この熱酸化処理に先立ってポリシリコン層１８の表層をアモルファス化している。アモルファス化したポリシリコン層２０は、熱酸化処理の過程で部分的に再結晶しながら最終的には酸化膜に変化する。そのような結晶構造の変化を伴うことによって、酸化膜の表面では起伏が平坦化される。即ち、酸化する前の深い窪み５２は、酸化の過程で平坦化し、浅い窪み５４に変化する。
また、熱酸化処理によって、ポリシリコン層１８はアニールされる。即ち、ドープドポリシリコン層１４に含有されているリンがノンドープドポリシリコン層１６へ拡散するとともに活性化し、ドープドポリシリコン層１４とノンドープドポリシリコン層１６が一体化する。一体化した層をアニール化後のポリシリコン２４と称する。なお、ポリシリコン層１８の表層を酸化膜に変化させる熱酸化処理ではポリシリコン層１８が十分にアニールできない場合には、別途アニール処理を実施する。アニール処理によって、リン（導電性不純物）が所望のプロファイルに分布したアニール化後ポリシリコン層２４を形成することができる。
【００１７】
最後に、ポリシリコン層１８の表層に形成された酸化膜２２をウエットエッチングによって除去した後に、トレンチ内部を埋めたポリシリコン（アニール化後のポリシリコン２４）を残して上層のポリシリコン層１８を等方性ドライエッチングによって除去する（図７）。前述した熱酸化処理によって、トレンチ５０の開口部でポリシリコン層１８の表面に形成された窪みは平坦化されているので、ポリシリコン層１８の上層をドライエッチングで除去しても、トレンチ５０の開口部には浅い窪み５４が残るだけとなる。
【００１８】
トレンチ５０をポリシリコンで埋めた半導体基板を形成した後は、従来の方法によって所望の半導体装置を完成する。
【００１９】
上記の製造方法によって、トレンチ５０を埋めるポリシリコン２４の表面に深い窪みのない半導体装置を形成することができる。上記の製造方法には、次の利点がある。
（１）トレンチ５０を埋めるように形成したポリシリコン層１８に、電気的に不活性なイオンを注入するので、注入したイオンがトレンチゲートの特性に影響を与えることがない。
（２）トレンチ５０を埋めるためのポリシリコン層１８の表層をアモルファス化するので、トレンチ５０の開口部に形成される深い窪み５２を平坦化するために特別な層を別途に形成する必要がない。そのため、深い窪みを平坦化するのに要する時間的経済的コストの増加を抑えることができる。
（３）アモルファス化したポリシリコン層２０を酸化させる熱酸化処理によって同時にリン（導電性不純物）を含有するポリシリコン層１８をアニール化できる。
【００２０】
以上、本発明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。
例えば、ポリシリコン層の表層をアモルファス化するために注入するイオンはヘリウムイオンであってもよい。注入するイオンは、ポリシリコン層の表層をアモルファス化することができ、電気的に不活性なイオンであれば、アルゴンイオンやヘリウムイオンでなくともよい。
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。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】トレンチを形成する工程を説明する図である。
【図２】酸化膜を形成する工程を説明する図である。
【図３】ドープドポリシリコン層を形成する工程を説明する図である。
【図４】ノンドープドポリシリコン層を形成する工程を説明する図である。
【図５】イオン注入してポリシリコン層の表層をアモルファス化する工程を説明する図である。
【図６】熱酸化処理の工程を説明する図である。
【図７】トレンチ内部を残してポリシリコン層を除去する工程を説明する図である。
【符号の説明】
【００２２】
１０：半導体基板
１２：酸化膜
１４：ドープドポリシリコン層
１６：ノンドープドポリシリコン層
１８：ポリシリコン層
２０：アモルファス化したポリシリコン層
２２：酸化膜
２４：アニール化後のポリシリコン
５０：トレンチ
５２、５４：窪み
【図１】
2008294125.tif 000003
【図２】
2008294125.tif 000004
【図３】
2008294125.tif 000005
【図４】
2008294125.tif 000006
【図５】
2008294125.tif 000007
【図６】
2008294125.tif 000008
【図７】
2008294125.tif 000009