(57)【要約】【課題】シリコン柱を太くすることなく、熱酸化時にシリコン柱が傾くのを防ぐことにより、空洞や凹部のない均一な酸化物バルクを有する半導体装置を製造すること。【解決手段】半導体基板１１の表面に、複数の島状領域１３が連結部１８，１９を介して隣り合う島状領域１３に連結された平面パターンのエッチングマスク１２を形成し、トレンチエッチングをおこなう。そして、半導体基板１１の、連結部１８，１９の下に残る非エッチング部分をＫＯＨにより除去して、複数のシリコン柱１５を形成する。シリコン柱１５の上端をエッチングマスク１２の連結部１８，１９により支持した状態で熱酸化をおこない、シリコン柱１５を酸化して、トレンチ１４を埋め、幅の広い均一な酸化物バルク１７を形成する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の表面に、複数の島状領域が連結部を介して隣り合う島状領域に連結された平面パターンのマスクを形成する工程と、
前記半導体基板の表面部分の、前記マスクにより被覆されていない領域を異方性エッチングにより除去してトレンチを形成する工程と、
前記半導体基板の、前記連結部の下に残る非エッチング部分を除去して、複数の半導体柱を形成する工程と、
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】
複数の前記島状領域のうちの最外周の島状領域は、連結部を介してその外側の枠部分に連結されてい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】
前記半導体柱を熱酸化し、前記半導体柱同士を一体化させて前記トレンチを埋める工程、をさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記半導体基板を加熱して前記トレンチの中央部分に溝を残した状態で前記トレンチの側面および底面に沿って酸化膜を形成する工程と、
前記溝内に酸化物を堆積させて前記溝を埋める工程と、
をさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記半導体柱を形成した後、熱酸化をおこなう前に、
前記トレンチの側面に、当該側面に対して斜め方向から不純物イオンを注入する工程と、
前記トレンチの底面に、当該底面に対して垂直な方向から不純物イオンを注入する工程と、
をさらに含むことを特徴とする請求項３または４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記トレンチを、その深さが５μｍ以上となるように形成することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記島状領域は、その一辺が０．８μｍ以上１．２μｍ以下の矩形状であり、前記連結部の幅は０．４μｍ以上０．６μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板の表面領域に、一辺の長さが５μｍ以上の大きさの絶縁領域を有する半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パワーＩＣなどに使用される横型高耐圧ＭＯＳＦＥＴを製造するにあたって、トレンチ技術が用いられることがある。たとえば、シリコン半導体基板に深さがたとえば２０μｍ程度のトレンチを形成し、そのトレンチを酸化物で埋め込むことにより、シリコン半導体基板内に深さおよび幅がともにたとえば２０μｍ程度の幅広の絶縁領域（以下、酸化物バルクとする）を形成する方法が公知である（たとえば、特許文献１参照。）。
【０００３】
図１１〜図１４は、従来の半導体装置の製造方法により製造される半導体装置の製造途中における構造を示す縦断面図である。また、図１５は、その製造方法においてトレンチエッチングをおこなう際のエッチングマスクのマスクパターンを示す図である。なお、図１１〜図１４に示す各断面図は、図１５に示すマスクパターンのＣ−Ｃ線に相当する断面における半導体装置の構造を表している。
【０００４】
まず、図１１に示すように、半導体基板１を熱酸化して、その表面に厚さ８００ｎｍの熱酸化膜を形成する。ついで、熱酸化膜上にフォトレジストを塗布し、図示しないマスクを用いて露光および現像をおこない、一辺の長さが０．６μｍの複数の島状領域を０．６μｍ間隔で配置してなるパターンのレジストマスクを形成する。ついで、ＣＨＦ３、ＣＦ４およびＡｒの混合ガスを用いて異方性ドライエッチングをおこない、シリコン酸化膜マスク２を形成する。シリコン酸化膜マスク２は、図１５に示すように、複数の島状領域３が縦横に並ぶパターンを有する。島状領域の一辺の長さは０．６〜１μｍである。
【０００５】
ついで、図１２に示すように、Ｃｌ２およびＯ２の混合ガスを用いて異方性ドライエッチングをおこない、深さ２０μｍのトレンチ４を形成する。つづいて、ＣＦ４およびＯ２の混合ガスを用いて等方性エッチングをおこない、トレンチエッチング時の保護膜の除去とトレンチ角部の丸め処理をおこなう。同時に、隣り合うトレンチ４間に残る半導体部分（以下、シリコン柱とする）５の上端の一辺の長さがおおよそ０．６μｍとなるように調整する。このときのトレンチ側壁の角度は、基板表面に対して８９°程度で傾いているのが望ましい。
【０００６】
ついで、１１５０℃で１０時間程度、水蒸気雰囲気に半導体基板１を曝してシリコン柱５を酸化する。その際、シリコン柱５の上端の寸法および高さによっては、シリコン柱５が不安定となり、酸化したシリコン柱５が傾いてしまう。特に、図１２に示すように、複数のトレンチ４において底の高さが異なる（図１２において左端のトレンチが他よりも浅い）と、熱酸化時にシリコン柱５が傾きやすい。
【０００７】
図１３には、シリコン柱５の酸化処理途中の様子が模式的に示されているが、同図に示すように、トレンチ４の底の高さが異なると、酸化時の体積膨張による応力の作用で、シリコン柱５はトレンチの深い方向に向かって傾斜する。また、シリコン柱５は、その底部形状の非対称構造を反映し、シリコンと酸化膜の熱膨張係数の違いによっても傾斜する。なお、図１３において符号６は、シリコン柱５の表面に生成した熱酸化膜である。
【０００８】
シリコン柱５の酸化処理により、シリコン柱５はすべてシリコン酸化物（これを、シリコン酸化柱とする）となる。そして、隣り合うシリコン酸化柱は、シリコンがシリコン酸化物となるときの膨張により、互いの間にあるトレンチ４を埋めて一体化する。それによって、図１４に示すように、酸化物バルク７ができあがる。
【０００９】
【特許文献１】
特開平８−９７４１１号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来方法では、上述したように酸化処理中にシリコン柱５が傾きやすいため、図１４に示すように、酸化物バルク７内に空洞８が残ったり、酸化物バルク７の表面に凹部９ができるなどの不具合が発生しやすいという問題点がある。これら空洞８や凹部９などの欠陥は、その数や位置や大きさを制御することは不可能であり、たとえば空洞８への電界集中により半導体デバイスの耐圧特性を劣化させる原因となる。また、狭小の凹部９内に異物が堆積することによる歩留り低下の原因となる。
【００１１】
このような不具合の発生を回避するには、シリコン柱５を太くして、熱酸化時にシリコン柱５が傾く際の傾きを小さくすればよい。しかし、その場合にはシリコン柱５を完全に酸化するのに長時間を要するため、スループットの低下を招く。
【００１２】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、シリコン柱を太くすることなく、熱酸化時にシリコン柱が傾くのを防ぐことにより、空洞や凹部のない均一な酸化物バルクを有する半導体装置を得ることができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明にかかる半導体装置の製造方法は、半導体基板の表面に、複数の島状領域が連結部を介して隣り合う島状領域に連結された平面パターンのマスクを形成する工程と、前記半導体基板の表面部分の、前記マスクにより被覆されていない領域を異方性エッチングにより除去してトレンチを形成する工程と、前記半導体基板の、前記連結部の下に残る非エッチング部分を除去して、複数の半導体柱（シリコン柱）を形成する工程と、を含むことを特徴とする。この発明において、複数の前記島状領域のうちの最外周の島状領域は、連結部を介してその外側の枠部分に連結されていてもよい。
【００１４】
また、前記半導体柱を熱酸化し、前記半導体柱同士を一体化させて前記トレンチを埋めるようにしてもよいし、前記半導体基板を加熱して前記トレンチの中央部分に溝を残した状態で前記トレンチの側面および底面に沿って酸化膜を形成した後、前記溝内に酸化物を堆積させて前記溝を埋めるようにしてもよい。さらには、前記半導体柱を形成した後、前記トレンチの側面に、当該側面に対して斜め方向から不純物イオンを注入するとともに、前記トレンチの底面に、当該底面に対して垂直な方向から不純物イオンを注入してから、熱酸化をおこなうようにしてもよい。
【００１５】
また、前記トレンチの深さは、５μｍ以上であるとよい。前記島状領域は、その一辺が０．８μｍ以上１．２μｍ以下の矩形状であり、前記連結部の幅は０．４μｍ以上０．６μｍ以下であるとよい。
【００１６】
この発明によれば、半導体柱（シリコン柱）の上端にマスクの島状領域が残り、その島状領域同士がマスクの連結部により互いに連結されているので、半導体柱の上端がマスクにより支持される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。特に限定しないが、本実施の形態では、深さが２０μｍであり、一辺がおおよそ５μｍである酸化シリコンよりなる酸化物バルクをシリコン半導体基板内に形成する場合を例にして説明する。
【００１８】
図６は、本発明にかかる半導体装置の製造方法においてトレンチエッチングをおこなう際のエッチングマスクのマスクパターンを示す図である。図６（ａ）に示すように、トレンチエッチングをおこなう際のシリコン酸化膜からなるエッチングマスク１２は、複数のたとえば正方形状の島状領域１３が縦横に並ぶパターンを有する。
【００１９】
そして、各島状領域１３は、隣り合う島状領域１３に連結部１８を介して連結されている。また、最外周に配置された島状領域１３は、トレンチ形成領域の外側の枠部分１０に連結部１９を介して連結されている。特に限定しないが、島状領域１３の一辺の長さはたとえば１．１μｍであり、連結部１８，１９の長さおよび幅はともにたとえば０．４μｍである。
【００２０】
図１〜図５は、本発明にかかる半導体装置の製造方法により製造される半導体装置の製造途中における構造を示す縦断面図である。図１〜図４において、断面図（ａ）および断面図（ｂ）は、それぞれ図６（ａ）に示すマスクパターンのＡ−Ａ線およびＢ−Ｂ線に相当する断面における半導体装置の構造を表している（図８も同じ）。なお、Ａ−Ａ線は、島状領域１３および連結部１８，１９を通っており、Ｂ−Ｂ線は連結部１８，１９を避けて島状領域１３を通っている。
【００２１】
まず、図２に示すように、シリコン半導体基板１１上に、たとえば厚さが１μｍのＨＴＯ膜を成長させ、従来同様にフォトリソグラフィー技術および異方性ドライエッチングにより、図６（ａ）に示す形状および寸法のエッチングマスク１２を作製した。図２（ａ）に示すように、島状領域１３および連結部１８，１９を通る断面では、島状領域１３は、連結部１８，１９を介して互いに、あるいは外側の枠部分１０に連結されている。すなわち、この断面では、エッチングマスク１２は一続きになっている。
【００２２】
ついで、図３に示すように、Ｃｌ２およびＯ２の混合ガスを用いて異方性ドライエッチングをおこない、深さ２０μｍのトレンチ１４を形成する。トレンチ形成後、図３（ａ）に示すように、エッチングマスク１２の連結部１８，１９の下側には、シリコン半導体が非エッチング部分として残る。つまり、この段階のこの断面においては、シリコン半導体が一続きになっている。
【００２３】
ついで、ＫＯＨを用いて０．２μｍ相当のシリコンを除去する。これによって、図１に示すように、エッチングマスク１２の連結部１８，１９の下側に残るシリコンの非エッチング部分が除去され、一辺の長さが０．９μｍのシリコン柱１５が形成される。図１（ａ）に示すように、シリコン柱１５の上端は、連結部１８，１９を介して互いに、あるいは外側の枠部分１０に連結されている。
【００２４】
ついで、１１５０℃で１０時間程度、水蒸気雰囲気に半導体基板１１を曝して、シリコン柱１５のシリコンを完全に酸化する。シリコンが酸化する時に体積が膨張することにより、図４に示すように、隣り合うシリコン酸化柱が融合、一体化し、酸化シリコンのバルク体、すなわち酸化物バルク１７が得られる。
【００２５】
その際、シリコン柱１５の上端が、連結部１８，１９により連結され、支持されているので、シリコン柱１５は傾かない。その結果、酸化物バルク１７の均一性が向上する。そして、図５に示すように、エッチングマスク１２を除去することによって、広い範囲に均一な酸化物バルク１７よりなる絶縁領域を有する半導体装置が得られる。
【００２６】
ここで、シリコン柱１５の酸化時間を１０時間とすると、シリコン柱１５の幅は、好ましくは１μｍ以下であるのがよい。一方、熱酸化時にシリコン柱１５が反るのを抑制するには、シリコン柱１５の幅は、０．４μｍ以上であるのが望ましい。
【００２７】
また、エッチングマスク１２の連結部１８，１９の幅は、連結部１８，１９の下側に残るシリコンの非エッチング部分の除去しやすさを考慮すると短い方がよいが、シリコン柱１５を支持することを考慮すると長い方が望ましい。したがって、連結部１８，１９の幅は、０．４〜０．６μｍ程度であるのが妥当である。これらの事情を考慮すると、エッチングマスク１２の島状領域１３の一辺の長さは、０．８〜１．２μｍであるのが適当である。
【００２８】
図７は、上述した製造方法を適用して製造される横型の高耐圧トレンチパワーＭＯＳＦＥＴ２０の構造を示す縦断面図である。図７において、符号２１はｐ層であり、上述した半導体基板１１に相当する。また、符号２２はｐウェル層であり、符号２３はｎウェル層であり、符号２４はｎ−オフセットドレイン領域である。
【００２９】
符号２５は絶縁領域であり、上述した製造方法により形成される幅の広い酸化物バルク１７に相当する。符号２６はｐ＋層であり、符号２７はｎ＋層である。符号２８はゲート絶縁膜であり、符号２９はゲート電極である。符号３０はソース電極であり、符号３１はドレイン電極であり、符号３２は層間絶縁膜である。
【００３０】
上述したように酸化物バルク１７のすべてを、シリコン柱１５を熱酸化してできた酸化物により構成する代わりに、その一部を、たとえば埋め込み性に優れたＴＥＯＳ膜で置換するようにしてもよい。その場合には、図１に示す状態につづいて、図８に示すように、シリコン柱１５の表面に熱酸化膜１６を生成し、エッチングマスク１２を除去した後、図９に示すように、ＴＥＯＳ膜等の酸化膜４６を堆積して、トレンチ１４の中央部分に残る溝４４を酸化膜４６で埋める。
【００３１】
そして、堆積した酸化膜４６の表面を、ＣＭＰ（化学機械研磨）やウエットエッチングやドライエッチング等により除去して、半導体基板１１の表面を露出させる。それによって、図１０に示すように、熱酸化膜１６とＴＥＯＳ膜等の酸化膜４６が一体化した、広い範囲に均一な酸化物バルク４７よりなる絶縁領域を有する半導体装置が得られる。
【００３２】
また、図７に示すような高耐圧トレンチパワーＭＯＳＦＥＴ２０を作製する際には、図１に示す状態につづいて、特に図示しないが、トレンチ１４の側面に、その側面に対して斜め方向から不純物イオン（たとえば、リンイオン）を注入し、またトレンチ１４の底面に、その底面に対して垂直な方向から不純物イオン（たとえば、リンイオン）を注入する。図６（ｂ）のマスクパターンでトレンチを形成した場合は、同図の左右方向のトレンチ側面に斜め方向から不純物イオンを注入する際、制御が容易におこなえる。そして、酸化、ドライブをおこなってｎ−オフセットドレイン領域２４を形成した後、トレンチ１４を酸化物で埋め込むようにしてもよい。
【００３３】
上述した実施の形態によれば、シリコン柱１５の上端にエッチングマスク１２の島状領域１３が残り、その島状領域１３同士がエッチングマスク１２の連結部１８，１９により互いに、あるいは外側の枠部分１０に連結されているので、シリコン柱１５の上端がエッチングマスク１２により支持される。したがって、シリコン柱１５を熱酸化する際に、熱膨張応力によりシリコン柱１５の間隔が一定に保たれ、シリコン柱１５が傾くのを防ぐことができるので、シリコン半導体基板１１内に幅が数〜数十μｍであり、深さが数〜数十μｍ程度である、空洞や凹部のない均一な酸化物バルク１７，４７を有する半導体装置を製造することができる。
【００３４】
以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、種々変更可能である。また、本発明は、横型の高耐圧トレンチパワーＭＯＳＦＥＴに限らず、μ−ＴＡＳ（マイクロ化学分析システム）や化学センサー、医療センサーに代表される流体素子の製造に適用することができる。この場合、酸化膜表面の処理により疎水化または親水化の制御が可能であるので、これらの流体素子において、フロー部に流れる流体の特性に応じた構造体を作製することができる。また、混合反応槽において、試薬などの特性に応じて、表面の親水性または疎水性の選択を任意に実施することができる。
【００３５】
また、本発明は、プリンター等のインクジェットデバイスの製造にも適用することができる。この場合も、上述した流体素子と同様のメカニズムにより、高精細化およびインク使用量の低減化を図ることができる。また、同様に、バルブやマイクロポンプの接続部においても、円滑な流れを創ることができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、空洞や凹部のない、幅の広い均一な酸化物バルクを有する半導体装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる半導体装置の製造方法により製造される半導体装置の製造途中における構造を示す縦断面図である。
【図２】本発明にかかる半導体装置の製造方法により製造される半導体装置の製造途中における構造を示す縦断面図である。
【図３】本発明にかかる半導体装置の製造方法により製造される半導体装置の製造途中における構造を示す縦断面図である。
【図４】本発明にかかる半導体装置の製造方法により製造される半導体装置の製造途中における構造を示す縦断面図である。
【図５】本発明にかかる半導体装置の製造方法により製造される半導体装置の製造途中における構造を示す縦断面図である。
【図６】本発明にかかる半導体装置の製造方法においてトレンチエッチングをおこなう際のエッチングマスクのマスクパターンを示す図である。
【図７】本発明にかかる半導体装置の製造方法により製造される半導体装置の構造の一例を示す縦断面図である。
【図８】本発明にかかる半導体装置の製造方法により製造される半導体装置の製造途中における別の構造を示す縦断面図である。
【図９】本発明にかかる半導体装置の製造方法により製造される半導体装置の製造途中における別の構造を示す縦断面図である。
【図１０】本発明にかかる半導体装置の製造方法により製造される半導体装置の製造途中における別の構造を示す縦断面図である。
【図１１】従来の半導体装置の製造方法により製造される半導体装置の製造途中における構造を示す縦断面図である。
【図１２】従来の半導体装置の製造方法により製造される半導体装置の製造途中における構造を示す縦断面図である。
【図１３】従来の半導体装置の製造方法により製造される半導体装置の製造途中における構造を示す縦断面図である。
【図１４】従来の半導体装置の製造方法により製造される半導体装置の製造途中における構造を示す縦断面図である。
【図１５】従来の半導体装置の製造方法においてトレンチエッチングをおこなう際のエッチングマスクのマスクパターンを示す図である。
【符号の説明】
１０  枠部分
１１  半導体基板
１２  エッチングマスク
１３  島状領域
１４  トレンチ
１５  半導体柱（シリコン柱）
１６  熱酸化膜
１７，４７  酸化物バルク
１８，１９  連結部
４４  溝
４６  酸化膜
【図１】
2004342774.tif 000003
【図２】
2004342774.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2004342774.tif 000013
【図１２】
2004342774.tif 000014
【図１３】
2004342774.tif 000015
【図１４】
2004342774.tif 000016
【図１５】
2004342774.tif 000017