(57)【要約】トレンチ型半導体デバイスの製造方法は、高温処理工程が実行された後にトレンチを充填する。これらの方法は、デバイスのトレンチの再充填材料として熱的に不安定な材料を使用することを可能にする。熱的に不安定な材料を有するトレンチ型半導体デバイスも提供される。特に、有機の再充填材料を有するトレンチ型半導体デバイスの製造方法及びデバイスが提供される。
2010525605.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トレンチ型半導体デバイスの製造方法であって、
(i)互いに対向する第１主表面及び第２主表面を備え、前記第２主表面に第１導電型の高濃度ドープ領域と、前記第１主表面に第１導電型の低濃度ドープ領域を備えた半導体基板を提供する工程、
(ii)前記第１主表面側に端子構造を形成する工程、
(iii)前記第１主表面から延びる前記半導体基板にメサ及びトレンチを形成する工程であって、前記メサをほぼ覆うように前記端子構造が設けられるとともに、前記メサが前記トレンチに隣接し、第１側壁面と第２側壁面とを備えるようにする工程、
(iv)前記第１導電型と反対の第２導電型のドーパントで前記第１側壁面をドーピングする工程であって、第２導電型の第１ドープ領域を形成する工程、
(v)前記第２導電型のドーパントで前記第２側壁面をドーピングする工程であって、第２導電型の第２ドープ領域を形成する工程、
(vi)工程(i)〜(v)に続いて、半絶縁性材料、絶縁性材料、及びそれらの組合せのうち少なくとも１つで前記トレンチを充填する工程からなるトレンチ型半導体デバイスの製造方法。
【請求項２】
端子構造を形成する前記工程は、前記第１主表面上にゲート電極を形成する工程であって、これら前記第１主表面と当該ゲート電極との間に介在するゲート絶縁膜を伴った前記第１主表面上に当該ゲート電極を形成する工程を備える請求項１に記載の方法。
【請求項３】
端子構造を形成する前記工程がさらに、
(a)前記ゲート電極の近傍で、前記第１主表面に前記第２導電型の本体領域を形成する工程と、
(b)前記本体領域に前記第１導電型のソースを形成する工程と、
(c)前記ソースの近傍で、前記本体領域に前記第２導電型の本体接触子を形成する工程と、からなる請求項２に記載の方法。
【請求項４】
充填する前記工程が、前記トレンチを、約８００℃以上の温度で熱的に不安定になる半絶縁性材料及び絶縁性材料の少なくとも一方で充填することからなる請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記半絶縁性材料及び前記絶縁性材料の少なくとも一方は、約３５０℃、約４００℃、約４５０℃、約５００℃、約５５０℃、約６００℃、約６５０℃、約７００℃、及び約７５０℃からなるグループから選択される温度で熱的に安定する請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記半絶縁性材料及び前記絶縁性材料の少なくとも一方が有機材料である請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記半絶縁性材料及び前記絶縁性材料の少なくとも一方がポリイミドである請求項１に記載の方法。
【請求項８】
充填する前記工程が、誘電体、ドープされていない多結晶シリコン、ドープされた酸化物、ドープされていない酸化物、シリコン窒化物、半絶縁性多結晶シリコン（ＳＩＰＯＳ）、及びそれらの組合せからなるグループから選択された材料で前記トレンチを充填する請求項１に記載の方法。
【請求項９】
充填する前記工程に先立って、さらに
(vii)前記第１導電型のドーパントで前記第１側壁面をドーピングする工程であって、第１導電型の第１ドープ領域を形成する工程と、
(viii)前記第１導電型のドーパントで前記第２側壁面をドーピングする工程であって、第１導電型の第２ドープ領域を形成する工程とを備える請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
ドーピングする前記工程に先立って、さらに、前記第１側壁面及び前記第２側壁面を平滑にする工程を備える請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
充填する前記工程に先立って、酸化物材料及び窒化物材料の少なくとも一方で前記第１側壁面及び前記第２側壁面をライニングする工程を備える請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
ドーピングする前記工程が、約９００℃の温度で約１時間前記第１側壁面及び前記第２側壁面にドーパントを打ち込む工程を備える請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
ドーピングする前記工程が、イオン注入及び拡散の一方を備える請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記トレンチが、プラズマエッチング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、スパッタエッチング、気相エッチング、及び化学エッチングの少なくとも１つを用いて形成される請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
複数の端子構造、複数のメサ、及び複数のトレンチが設けられる請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記工程(i)〜(vi)が連続して実行される請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記各工程(i)〜(vi)の開始に先立って、それぞれの工程の前工程が実質的に完了している請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記各工程の開始に先立って、それぞれの工程の前工程が完全に完了している請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
請求項１に記載の方法により製造されるトレンチ型半導体デバイス。
【請求項２０】
略８００℃以上の温度で熱的に不安定になる半絶縁性材料及び絶縁性材料の少なくとも一方で充填されるトレンチを有し、前記半絶縁性材料及び絶縁性材料の少なくとも一方が有機材料であるトレンチ型半導体デバイスであって、
前記デバイスが、超接合金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、超接合金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）、超接合ショットキートランジスタ、超接合絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、及びダイオードのうち１つであるトレンチ型半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
〔発明の背景〕
本発明の実施例は、半導体デバイス及び半導体デバイスの製造方法に関する。特に、本発明の実施例は、熱的に敏感な再充填材料を備えたトレンチ型半導体デバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
その内容を本明細書に援用して組み入れられるアメリカ特許第５２１６２７５号に開示されたドクター・シンビ・チェン（Dr. Xingbi Chen）による超接合デバイスの発明以来、その発明の超接合効果に関する発展、改善への多くの試みがあった。アメリカ特許第６４１０９５８号、第６３００１７１号及び第６３０７２４６号は、これらの努力成果の例であり、本明細書に援用して組み入れられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第５２１６２７５号明細書
【特許文献２】米国特許第６４１０９５８号明細書
【特許文献３】米国特許第６３００１７１号明細書
【特許文献４】米国特許第６３０７２４６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
トレンチ型半導体デバイスは、製造コストをより安価にできる可能性があるため、マルチ・エピ超接合に代わるものとして期待されている。トレンチ型の超接合デバイスを製造するためには、１つまたは複数のエッチングされたトレンチに再充填する絶縁性材料が必要となる。この再充填材料は、この材料が超接合デバイスの電気特性及び信頼性に影響を与えるものであるため、慎重に選択されなければならない。一般的に、エピタキシー、テトラエチルオルトケイ酸塩（ＴＥＯＳ）、多結晶シリコン、または半絶縁性多結晶シリコンなどの熱的に安定した材料が再充填材料として用いられてきた。
【０００５】
ポリイミドなどの、熱膨張率が低く被覆率が良好な有機材料が、再充填材料の望ましい候補である。溶融した有機再充填材料の粘度は一般的に低い。よって、従来の無機再充填材料に比較すると、再充填工程中に再充填材料に内部空隙が発生しにくい。さらに、表面リフロー法など、技術的に厳しさを要求されることが少ない方法を用いて、トレンチを有機再充填材料で充填することができる。また、有機再充填材料を備えたデバイスでは、破壊電圧において表面電位がより安定することが期待される。これらの利点に関わらず、熱的に敏感な有機材料は、これらが、従来の製造技術で採用されている半導体拡散工程において用いられる温度よりもかなり低い温度で熱的に不安定になるため、トレンチ型超接合デバイスの再充填材料として用いられてこなかった。
【０００６】
従って、熱的に敏感な再充填材料を備えたトレンチ型半導体デバイスの製造方法、及び熱的に敏感な再充填材料を備えたトレンチ型半導体デバイスを提供することが望ましいのである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
〔発明の簡単な概要〕
１つの全般的な特徴において、本発明の実施例は、トレンチ型半導体デバイスの製造方法を含む。ある実施例では、デバイスのトレンチを再充填する前にデバイスの端子構造が形成される。互いに対向する第１及び第２主表面を備えた半導体基板を設ける。この半導体基板は、前記第２主表面に第１導電型の高濃度ドープ領域と、前記第１主表面に第１導電型の低濃度ドープ領域を備える。端子構造は前記第１主表面側に形成される。前記第１主表面から延びる前記半導体基板にメサ及びトレンチを形成し、前記メサをほぼ覆うように前記端子構造が設けられる。前記メサは、前記トレンチに隣接し、第１側壁面と第２側壁面とを備える。この方法はさらに、第２導電型のドーパントで前記第１側壁面をドープして、第２導電型の第１ドープ領域を形成する工程、及び第２導電型のドーパントで前記第２側壁面をドープして、第２導電型の第２ドープ領域を形成する工程からなる。これらのドーピング工程の後、トレンチには、半絶縁性材料及び／または絶縁性材料を充填される。
【０００８】
さらに好適な実施例においては、約８００℃以上の温度で熱的に不安定になる半絶縁性材料及び／または絶縁性材料、具体的には、約４５０℃以上の温度で熱的に不安定になる半絶縁性材料及び／または絶縁性材料を用いて、トレンチ型半導体デバイスを製造する。
【０００９】
別の全体的な観点において、本発明の実施例は、トレンチ型半導体デバイスの製造方法を含む。約８００℃以上の温度で熱的に不安定になる再充填材料が一般的に考慮される。互いに対向する第１及び第２主表面を備えた半導体基板を設ける。この半導体基板は、前記第２主表面に第１導電型の高濃度ドープ領域と、前記第１主表面に第１導電型の低濃度ドープ領域を備える。端子構造は前記第１主表面側に形成される。前記第１主表面から延びる前記半導体基板にメサ及びトレンチを形成し、前記メサをほぼ覆うように前記端子構造が設けられる。前記メサは、前記トレンチに隣接し、第１側壁面と第２側壁面とを備える。この方法はさらに、第２導電型のドーパントで前記第１側壁面をドープして、第２導電型の第１ドープ領域を形成する工程、及び第２導電型のドーパントで前記第２側壁面をドープして、第２導電型の第２ドープ領域を形成する工程からなる。これらのドーピング工程の後、トレンチには、約８００℃以上の温度で熱的に不安定になる半絶縁性材料及び／または絶縁性材料を充填される。
【００１０】
好適な実施例では、約８００℃以上の温度で熱的に不安定になる半絶縁性材料及び絶縁性材料で充填されるトレンチを有するトレンチ型半導体デバイスが提供される。
【００１１】
好適な実施例の中には、半絶縁性材料及び／または絶縁性材料が有機材料であるものもある。
【００１２】
さらに別の好適な実施例では、トレンチ型半導体デバイスはトレンチ型超接合デバイスである。
【００１３】
その他の局面、特徴、利点は、詳細な説明、好適な実施例、添付の請求の範囲を含む以下の開示内容から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
〔図面の簡単な説明〕
上記の発明の概要、及び後述する発明の好適な実施例の詳細な説明は、添付の図面を参照することにより、よりよく理解されるであろう。説明のため、図面には現在好適な実施例を示す。しかし、本発明は、図示された通りの構造及び手段に限定されるものではないことが理解されるべきである。
【図１】図１は、ゲート絶縁層及びゲート電極の形成後の半導体基板の拡大部分断面図である。
【図２】図２は、ＭＯＳＦＥＴデバイス用の端子構造形成後の半導体基板の拡大部分断面図である。
【図３】図３は、トレンチ及びｐコラム拡散形成後の半導体基板の拡大部分断面図である。
【図４】図４は、トレンチ再充填及び平坦化後の半導体基板の拡大部分断面図である。
【図５】図５は、コンタクトホール開口、金属電極形成、パシベーション、背面電極形成後の半導体基板の拡大部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
〔発明の詳細な説明〕
説明を簡略にし、明確にするため、図中の部材は必ずしも一定比率で示していない。異なる図面における同じ参照番号は、同じ部材を示している。図面の明確化のため、デバイス、トレンチ、メサ、及び装置構造のドープされた領域は、ほぼ直線のエッジ及び正確に角度を持ったコーナーを有するものとして図示されている。しかし、当業者には、エッジが直線でなくてもよいこと、及びコーナーが正確に角度を有するものでなくてもよいことが自明である。
【００１６】
以下の説明において用いられるいくつかの用語は単なる便宜上のものであり、限定的なものではない。「右」「左」「下」及び「上」という語句は、参照される図面における方向を示している。「内側」及び「外側」という語句は、それぞれ、記載され、その部分が指定された対象物の幾何学的中心に近づく、及び遠ざかる方向を指す。用語には、特に上述した語句、派生語、類似の趣旨の語句が含まれる。さらに、明細書および添付の特許請求の範囲で用いられている通り、単数形の「不定冠詞（a, an）」及び「定冠詞(the)」は、前後関係において明確にそうでないと指示していない限り、複数形も含むものである。
【００１７】
本発明のいずれの実施例も、特定の導電型（例えば、ｐ型またはｎ型）に言及しているが、ｐ型の導電型をｎ型導電型に変えること、あるいはその逆が可能であり、それでもデバイスは機能的に正常である（つまり、第１及び第２導電型タイプ）ことは、当業者には容易に理解できるであろう。例えば、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）ゲートデバイス及び、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴｓ）を、ｎ型エピタキシャル層をｐ+基板上に備えた（あるいはその逆）エピタキシャル・ウエ−ハに作製することができる。
【００１８】
ｎ型半導体は、ｎ型ドーピング工程、つまり、材料中の自由電子の数を増やすために、半導体に不純物（ドーパント）を添加することにより得られるあらゆる半導体を含む。例えば、ｎ型半導体は、シリコンに、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、またはアンチモン（Ｓｂ）を組み入れることによって得ることができる。ｎ型半導体は、高濃度でドープ（ｎ＋）されていても、超高濃度でドープ（ｎ＋ ＋）されていても、低濃度でドープ（ｎ−）されていても、超低濃度でドープ（ｎ− −）されていてもよい。ｎ型半導体のドーピングレベルは、キャリア濃度に直接比例するものである。
【００１９】
ｐ型半導体は、ｐ型ドーピング工程、つまり、材料中の正孔の数を増やすために、半導体に不純物（ドーパント）を添加することにより得られるあらゆる半導体を含む。例えば、ｐ型半導体は、シリコンに、ホウ素（Ｂ）またはアルミニウム（Ａｌ）を組み入れることによって得ることができる。ｐ型半導体は、高濃度ドープ（ｐ＋）されていても、超高濃度ドープ（ｐ＋ ＋）されていても、低濃度ドープ（ｐ−）されていても、超低濃度ドープ（ｐ− −）されていてもよい。ｐ型半導体のドーピングレベルは、キャリア濃度に比例するものである。
【００２０】
本発明の種々の実施例によるドーピングは、例えば、イオン注入やその場蒸着法など、ｎ型またはｐ型のいずれかの不純物を別の材料に分与するための公知の、あるいは今後開発される方法または設備を用いて実施することができる。
【００２１】
本明細書で用いられているように、「有機材料」は、有機化合物からなる材料を指す。有機化合物は、その分子が炭素及び水素を含有する大分類の化合物のうちいずれの要素であってもよい。有機化合物はまた、窒素、酸素、ハロゲン、リン、硫黄などの他の元素のうちいくつ含有していてもよい。
【００２２】
本明細書で用いられているように、材料は、その物質特性が熱の影響によって変化する場合、「熱的に不安定」または「熱的に敏感」となる。熱の影響による材料の物質的特性における変化は、例えば、溶融、沸騰、昇華、分解などが挙げられる。有機化合物は、一般的に、無機化合物が熱的に不安定になる温度よりもかなり低い温度で熱的に不安定になる。
【００２３】
本明細書で用いられているように、「端子構造」という用語は、半導体デバイスの端子に必要な構造のいずれか１つまたは複数を有する構造を指す。「端子構造」は、例えば、ゲート電極、ソース電極、またはドレイン電極などの半導体デバイスに接続された電極である。「端子構造」はまた、例えば、半導体デバイスに接続された電極に近接したあるいは隣接した半導体基板におけるドープされた領域であってもよい。このようなドープされた領域の例としては、本体領域、本体接触子領域、及びソース領域などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。「端子構造」は、電極及びドープされた領域のいずれか一つあるいは複数の組合せであってもよい。本発明の一実施例では、「端子構造」は、ゲート電極、本体領域、本体接触子領域、ソース領域、及びソース電極からなる。
【００２４】
本発明の実施例によるデバイスは、細胞質構造（本体領域が複数の細胞質領域である）、単体構造（本体領域が、長尺パターン、代表的には蛇行パターンに形成された単一領域である）のいずれであってもよい。理解を容易にするために、以下の説明では、デバイスは細胞質構造として述べるが、本発明の実施例は、細胞質構造、単体構造、またはそれらの組合せを包含するものである。例として挙げるなら、本発明の実施例によるデバイスは、パワー集積回路の一部として、論理及び／または他の構成要素とともに、半導体チップに集積された多くのデバイスの１つである。あるいは、本発明の実施例によるデバイスは、独立したトランジスタデバイスを形成すべく互いに集積された多くのデバイスの１つである。
【００２５】
トレンチ型超接合デバイスの従来の製造工程において、トレンチは、一般的に、いくつかの高温工程の前に再充填される。例えば、トレンチは、一般的に、限定はされないが、ゲート電極形成、本体ｐ拡散、本体接触子ｐ拡散、及びソースｎ拡散などの約８００℃〜１０００℃で実行される工程を必要とする端子構造を形成する前に充填される。従って、高温工程に先立ってトレンチを充填するために用いられる従来の再充填材料は、約８００℃〜１０００℃において熱的に安定していることが必要となる。しかし、利用可能な有機材料のほとんどは、約８００℃以上の温度では熱的に不安定である。よって、このような有機材料は、従来、または先行技術の工程において再充填材料として用いることはできない。
【００２６】
１つの全般的な特徴において、本発明の実施例は、トレンチのエッチング、ドーピング、再充填の工程に先立って、少なくとも部分的に端子構造を形成するトレンチ型半導体デバイスの製造方法を提供するものである。よって、端子構造形成に必要な高温工程が完了した後、再充填材料がトレンチ内に充填される。従って、有機材料などの熱的に不安定な再充填材料が、熱的に安定した再充填材料と同様に用いることができるのである。
【００２７】
図１は、本発明の好適な実施例による、ゲート絶縁層及びゲート電極の形成後の半導体基板１０の拡大部分断面図であり、半導体基板１０は、互いに対向する２つの主表面２、４を有している。半導体基板１０は、表面４を有する基板領域３と、表面２を有する半導体材料層５とを有している。本発明の実施例のデバイスで用いるのに適した半導体基板材料は、シリコン、ゲルマニウム、砒化物、アンチモン化物、及び／またはガリウム及び／またはインジウムの燐化物などの種々の半導体材料、及びそれらの組合せであるが、これらに限定されるものではない。
【００２８】
種々の実施例において、半導体基板１０はシリコンウエーハからなる。シリコンウエーハは、適切な基板を作製するための標準的な技術を用いて作製することができる。例えば、適切なウエーハは、シリコンが、溶融した超高純度シリコンから回転させながら引き上げた種結晶と呼ばれる小さな結晶から成長して棒状の結晶を作り、その後スライスされて薄いディスクとなり、スライス後、丁寧に研磨され、鏡面仕上げされて洗浄される工程を経て作製することができる。本件の種々の実施例において半導体材料層として使用するに適切なシリコンウエーハは、ドープされていなくてもよいし、ｐ型あるいはｎ型の導電型で、高濃度あるいは低濃度でドープされていてもよい。
【００２９】
好適な実施例において、基板領域３及び半導体材料層５は、両方とも同じ導電型のドーパントでドープされている。一般的に、このような好適な実施例において、基板領域３は、半導体材料層５よりも高いレベルでドープされる。例えば、基板領域３がｎ型の導電型でドープされたシリコンウエーハからなり、半導体材料層５がｎ型で低濃度でドープされたエピタキシャル・シリコンからなる実施例においては、基板領域のドーピングのレベルは、約１ｘ１０１７ｃｍ−３〜約１ｘ１０２０ｃｍ−３であり、半導体材料層５のドーピングのレベルは、約７ｘ１０１３ｃｍ−３〜約５ｘ１０１５ｃｍ−３である。
【００３０】
本発明の好適な実施例では、半導体材料層５は、通常、化学気相成長法（ＣＶＤ）によって基板上で成長した単結晶シリコンであるエピタキシャル・シリコンからなる。ＣＶＤを利用して蒸着されたエピタキシャル成長シリコンは、形成中に高度にコントロールされてドープされる。従って、低濃度でドープされたシリコン５をシリコン基板３上に蒸着させることができる。本発明の実施例では、半導体材料層５は、図１に示すように、第１導電型、ｎ型導電型のドーパントで、約７ｘ１０１３ｃｍ−３〜約５ｘ１０１５ｃｍ−３のレベルでドープされたエピタキシャル・シリコンからなる。本発明の好適な実施例では、半導体材料層５は、ｎ型導電型で、約１ｘ１０１４ｃｍ−３〜約２ｘ１０１４ｃｍ−３のレベルでドープされたエピタキシャル・シリコンからなる。本発明の実施例で用いるのに適切なエピタキシャル半導体材料層を形成するために、公知のあるいは今後開発されるいずれの適切なエピタキシャル蒸着装置でも用いることができる。ある実施例では、層５の厚さは、６００Ｖのデバイスの場合で、約４０〜５０ミクロンである。層５の厚さは、デバイスの任意の破壊電圧に応じて増減する。
【００３１】
ゲート絶縁層７は、エピタキシャル層５の上面２で成長、または蒸着される。ゲート電極９は、絶縁層７の上に形成される。ある実施例では、ゲート絶縁層７は、シリコン酸化物を有しており、厚さが約０．０５ミクロン〜０．１ミクロンである。別の実施例では、ゲート絶縁層７は、シリコン窒化物（silicon oxynitride）などを有している。ゲート電極９は、例えば、金属層、ドープされたあるいはドープされていない多結晶シリコン、非昌質シリコン、あるいはそれらの組合せからなっていてもよい。
【００３２】
図２は、ＭＯＳＦＥＴデバイス用に端子構造２０が形成された後の半導体基板１０の拡大部分断面図である。本体、つまりドープされた領域１１が、ゲート９の間でそれに近接または隣接して半導体層５に形成され、主表面２から延設されている。一実施例では、本体領域１１は、デバイスの導電チャネルとして機能する逆転層を形成するのに適切なドーパント濃度を有するｐ型導電型からなるとともに、主表面２から、約１．０〜約５．０ミクロンの深さまで延びている。ソース領域１３は本体領域１１内、あるいは本体領域に形成されており、主表面２から延設されている。一実施例では、ソース領域１３は、主表面２でソース電極（図外）に低い接触抵抗を与えるのに適したドーパント濃度を有するｎ型導電型からなるとともに、主表面２から、約０．２ミクロン〜約０．５ミクロンの深さまで延びている。
【００３３】
ソース領域１３はゲート電極９に近接している。本体接触子領域１５もまたソース領域１３に隣接した本体領域１１に形成されており、主表面２から延びている。一実施例では、本体接触子領域１５は、主表面２で本体領域１１よりも低い接触抵抗を付与するのに適切なドーパント濃度を有するｐ型導電型からなる。本体接触子領域１５は、主表面２から、約０．２ミクロン〜約０．５ミクロンの深さまで延びている。一実施例では、ｐ本体領域１１、ｐ本体接触子１５、またはｎソース領域１３を形成するために、ｐ型ドーパントまたはｎ型ドーパントが、約３０〜１０００キロ電子ボルト（ｋｅｖ）のエネルギーレベルで、約１ｘ１０１０〜約１ｘ１０１６原子ｃｍ−２のドーズ量範囲で、酸化被膜７を介して半導体層５内にイオン注入され、これに、高温打ち込み工程（つまり拡散）が続く。
【００３４】
そして、層間絶縁膜（ＩＬＤ）蒸着物１７が、ゲート電極９上に、及び本体領域１１、本体接触子１５及びソース１３を備えた主表面２上に蒸着される。一実施例では、ＩＬＤ膜１７は、厚さが約０．８〜約３ミクロンの蒸着されたシリコン酸化物である。
【００３５】
図３は、トレンチ及びｐカラム拡散が形成された後の半導体基板１０の拡大部分断面図である。１つまたは複数のトレンチ１９が、主表面２から延びる層５に、高濃度でドープされたｎ＋基板領域３とエピタキシャル半導体層５との間の界面６に接触、接近、または貫通するように形成されている。しかし、トレンチ１９は界面６に接触または接近している必要はない。トレンチ１９は、主表面２から任意の深さ位置まで延びる層５のみに形成してもよい。各トレンチ１９は近傍のメサ２１に隣接している。本発明から逸脱しない範囲で、トレンチ１９及びメサ２１の多くの幾何学的構造（つまり平面視で）が考えられる。トレンチ１９の形状は矩形に限定されない。ドッグボーン形や、丸みのある端部を備えた矩形や、十字形などの多くのトレンチ形状も可能である。トレンチの数及び位置は、全体のデバイス効率に影響を及ぼす可能性がある。ＭＯＳＦＥＴの一実施例では、主表面２におけるトレンチ１９の開口部は、本体領域１１内で、本体接触子領域１５との間またはこれに隣接して位置している。
【００３６】
好ましくは、トレンチ１９は、プラズマエッチング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、スパッタエッチング、気相エッチング、化学エッチング、深部ＲＩＥなどの公知の技術を用いて形成される。深部ＲＩＥを用いると、トレンチ１９は、約４０μｍ〜約３００μｍ、あるいはそれよりさらに深い深さを持って形成することができる。深部ＲＩＥ技術では、より直線の側壁を備えたより深いトレンチ１９が可能になる。さらに、工程における他のステップに加えて、従来技術でエッチングまたは形成されたトレンチ１９よりも直線の側壁を有する、より深いトレンチ１９を形成することは、従来の半導体トランジスタデバイスと較べて、なだれ破壊電圧（Ｖｂ）特性に優れた最終超接合デバイスが得られる結果となる（つまり、なだれ破壊電圧（Ｖｂ）が約２００〜１２００ボルト以上に増加することが可能である。）。
【００３７】
各トレンチ１９の側壁は、必要であれば、例えば、次の工程ステップのうち１つまたは複数を用いて平滑にすることができる。つまり、（ｉ）トレンチ表面からシリコンの薄膜（代表的には１００〜１０００オングストローム）を除去するために等方性プラズマ腐食液を用いることができ、あるいは（ｉｉ）トレンチの表面で犠牲シリコン二酸化物層を成長させて、その後、緩衝酸化物腐食液や希釈フッ化水素（ＨＦ）酸腐食液などの腐食液を用いて除去することができる。平滑化技術を用いることにより、丸みのあるコーナーを備えた滑らかなトレンチ表面を作り出しながら、残留応力や好ましくない不純物を取り除くことができる。しかし、垂直な側壁や角張ったコーナーを備えることが望ましい場合の実施例においては、上述した等方性エッチ工程ではなく、異方性エッチ工程を用いることができる。等方性エッチングとは対照的に、異方性エッチングは、一般的に、エッチングされる材料において異なる方向における異なる腐食率を意味する。
【００３８】
互いにほぼ平行に並ぶ各トレンチ１９の第１側壁面２３と第２側壁面２５は、従来から公知の技術を用いて、ホウ素（Ｐ）などのｐドーパントで注入、またはドープされる。好ましくは、この注入は、例えば、約４０キロ電子ボルト（ｋｅＶ）〜数メガｅＶの範囲の高いエネルギーレベルで、トレンチ１９の幅及び深さによって決められる注入角度Φ（図外）で、マスキング工程の助けを借りずに行われる。エネルギーレベルは、２００ｋｅＶ〜１ＭｅＶの範囲であることが好ましいが、エネルギーレベルは、ドーパントを十分に注入するために選択されることが認識されるべきである。所定の注入角度Φを用いることにより、トレンチ１９の底部ではなく、トレンチ１９の側壁２３、２５のみが注入されることが確実となる。注入角度Φは、垂直から約２°〜１２°の間であり、好ましくは約４°である。
【００３９】
明確に示してはいないが、ある実施例では、トレンチ１９は、底部よりも頂部の方が約１％〜１０％だけわずかに広くなって、例えば、トレンチ１９が、成長した酸化物が充填されるトレンチ充填工程を容易にするようになっていることが好ましい。その結果、トレンチ１９は、第１主表面２に対して所定の傾斜を維持した第１側壁面２３と、第１主表面２に対して所定の傾斜を維持した第２側壁面２５とを備えることになる。第１側壁面２３の傾斜は、エッチング工程の公差によっては、第２側壁面２５の傾斜とほぼ同じとなる。他のドーピング技術を用いることもできる。
【００４０】
両側壁面２３、２５にｐ型インプラントを注入した後、ｐ型ドープ領域２７、２９をそれぞれ作り出すために、公知の技術を用いて打ち込み工程（つまり拡散）が行われる。打ち込み工程の温度及び時間は、端子構造２０の構造上の完全状態を維持しながら、注入されたドーパントをメサ２１内に十分打ち込むように選択されることが好ましい。ソース領域１３及び本体接触子領域１５は比較的浅くなければならないため、予め形成されたソース領域１３及び予め形成された本体接触子領域１５に望ましくない影響を与えないように、打ち込み工程は、長時間高温で行われるべきではない。拡散工程は、特定の最終製品デバイスの電気特性に応じて最適化される。一実施例では、打ち込み工程は、９００℃の温度で約１時間行われる。打ち込み工程後、２つのトレンチ１９に隣接するメサ２１は、ｐコラム２７、２９及びｎコラム３３からなるｐｎｐコラム３１に変換される。ｎコラム３３は、エピタキシャル層５と同じキャリア濃度を有している。
【００４１】
別実施例では、トレンチの側壁面２３、２５は、ｐ型コラムをドープするための上述した方法に類似した方法、あるいは従来から公知の他の方法を用いて、層５よりも高いキャリア濃度でｎ型ドーパントで追加的にドープされてもよい。
【００４２】
通常、蒸気または酸素雰囲気で行われる酸化工程もまた、トレンチ１９の側壁２３、２５及び底部にシリコン二酸化物層（図外）を形成する打ち込み工程とともに、あるいはその後に行われてもよい。シリコン窒化物の薄膜（図外）もまた、トレンチ１９の側壁２３、２５及び底部に蒸着することができる。熱酸化シリコンウエーハにシリコン窒化物を蒸着しても、Ｓｉ−ＳｉＯ２界面の基本特性には影響しない。シリコン窒化物の存在によって、一部にはシリコン窒化物中に水素が存在するために、構造に応じて、表面ポテンシャルが安定したり不安定になったりする。水素は電気特性に影響を与える可能性がある。シリコン窒化物の層はまた、ｐｎｐコラム３１のシリコン及びシリコン酸化物を、トレンチ１９に充填される再充填材料から絶縁保護すべく機能する。
【００４３】
トレンチ１９のシリコン窒化物による内張り（ライニング）は、一般的にＣＶＤ（熱またはプラズマ）によって行うことができる。トレンチ１９のシリコン二酸化物による内張りは、一般的にＣＶＤ（熱、プラズマ、スピンオンガラス（ＳＯＧ））によって行うことができる。好ましくは、トレンチ１９のシリコン二酸化物及び／またはシリコン窒化物による内張りは、テトラエチルオルトケイ酸塩（ＴＥＯＳ）を用いて行われるのが好ましい。ＴＥＯＳによって、より良好な整合性が実現されるからである。シリコン窒化物は、厚さ約１００Å〜約１０，０００Å（１μｍ＝１０，０００Å）であることが好ましい。
【００４４】
図４は、トレンチの再充填及び平坦化後の半導体基板１０の拡大部分断面図である。ドープされたコラム３１を形成するためのドーパント注入及び拡散後、トレンチ１９には、半絶縁性材料、絶縁性材料、またはそれらの組合せなどの材料３５が充填される。トレンチ再充填後は、８００℃を超える温度で行われる工程はないため、８００℃以上の温度で熱的に安定または不安定な材料を再充填材料３５として用いることができる。図３における注入及び拡散工程の後、ＣＶＤ、金属スパッタリング、金属焼結のような熱工程が行われる。これらの熱工程は、一般的に、約３５０〜４００℃の温度で行われる。コンタクトホールを埋めるための「高温アルミニウム」工程など特定の場合では、５００℃までの温度が必要になることがある。従って、再充填材料３５は、約３５０℃以上の温度で熱的に安定していることが好ましい。本発明の一実施例では、再充填材料３５は約８００℃以上の温度で熱的に不安定になるが、約３５０℃、約４００℃、約４５０℃、約５００℃、約５５０℃、約６００℃、約６５０℃、約７００℃、約７５０℃の温度で熱的に安定するものであってよい。本発明の他の実施例では、再充填材料３５は、約８００℃以上の温度で熱的に安定することができるものであってもよい。
【００４５】
一実施例では、ポリイミドや他のポリマー樹脂、あるいはそれらの組合せなど、熱的に不安定な有機材料が、従来技術で公知の表面リフローや他の方法を用いてトレンチ１９を再充填するのに用いられる。ポリイミド（ＰＩ）は、イミドモノマーの直鎖または分岐ポリマーである。ポリイミドのガラス遷移温度は、４００℃以上であってもよい。これは、半導体デバイス用のパシベーション皮膜または金属−金属中間層に利用されてきたものである。
【００４６】
別実施例においては、多結晶シリコン、再結晶多結晶シリコン、単結晶シリコン、シリコン二酸化物、シリコン窒化物、または半絶縁性多結晶シリコン（ＳＩＰＯＳ）などの熱的に安定した無機材料が、当業者に公知のＳＯＧやＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）技術を用いて、トレンチ１９を再充填するのに用いられる。例えば、トレンチ１９は、ＳＩＰＯＳで再充填することができる。ＳＩＰＯＳ中の酸素含有量は、活性領域の電気特性を改善するために、２％〜８０％になるように任意に選択される。酸素含有量を増量することは、電気特性のためには望ましいが、酸素含有量を変化させることはまた、材料の特性が変化する結果にもなる。酸素含有量の多いＳＩＰＯＳは、周囲のシリコンとは異なった熱膨張や収縮をするため、特に異なる材料の界面の近辺において望ましくない破断や亀裂が発生することもある。従って、ＳＩＰＯＳの酸素含有量は、機械特性に望ましくない影響を与えずに最も望ましい電気特性を実現するため最適に選択される。
【００４７】
いったんトレンチ１９が再充填されると、表面８を平坦化するために、化学機械研磨（ＣＭＰ）や従来から公知の他の方法が実行される。
【００４８】
図５は、コンタクトホール開口、金属電極形成、パシベーション、背面電極形成後の半導体基板の拡大部分断面図である。コンタクトホール開口部３７は、適切な位置でＩＬＤ蒸着物を除去することにより形成され、第１主表面２で、全本体接触子１５と部分ソース１３を露出させる。公知の方法を用いて、コンタクトホール開口部３７と上面８に金属層３９を蒸着するために金属化が行われる。パシベーションは、公知の方法で、窒化物、ポリイミド、酸化物、またはＰＳＧなどの適切なパシベーション材料で行われる。背面またはドレイン電極４１も、第２主表面４に設けられる。
【００４９】
トレンチが、高温工程を要する工程後に充填されることが好ましい実施例もあるが、本発明の工程の実施例は用途が広く、他の工程に他の特定の順序は必要とされない。熱的に安定した及び不安定な再充填材料のいずれも用いることができたり、ｎコラムとｐコラムを入れ替えたりすることができるのである。他の実施例は、限定はされないが、超接合ＭＯＳＦＥＴ、超接合金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）、超接合ショットキートランジスタ、超接合ＩＧＢＴ、ダイオード、及び類似のデバイスなどのあらゆるトレンチ型半導体デバイスを製造するために利用することができる。
【００５０】
別の全般的な特徴において、本発明の実施例は、約８００℃以上の温度で熱的に不安定になるが、約３５０℃以上の温度で熱的に安定する半絶縁性材料及び／または絶縁性材料で充填されるトレンチを有するトレンチ型半導体デバイスを提供するものである。本発明の一実施例では、再充填材料は、約８００℃以上の温度で熱的に不安定であるが、約３５０℃、約４００℃、約４５０℃、約５００℃、約５５０℃、約６００℃、約６５０℃、約７００℃、または約７５０℃の温度で熱的に安定するものでもよい。
【００５１】
本発明の一実施例において、トレンチ型デバイスは、約３５０℃以上、約４００℃以上、約４５０℃以上、約５００℃以上、約５５０℃以上、約６００℃以上、約６５０℃以上、約７００℃以上、または約７５０℃以上の温度で熱的に不安定になる半絶縁性材料及び／または絶縁性材料で充填されるトレンチを備えている。好ましくは、本発明の実施例は、ポリイミドなどの有機の半絶縁性材料及び／または絶縁性材料で充填されるトレンチを備えたトレンチ型超接合デバイスを提供する。
【００５２】
上述した実施例は、本発明の広い発明概念から逸脱しない範囲で変更することができることが、当業者に認識されるであろう。よって、本発明は開示された特定の実施例に限定されるものではなく、添付の請求の範囲に記載される本発明の本質及び範囲内の改変例を包含するものである。
【図１】
2010525605.tif 000003
【図２】
2010525605.tif 000004
【図３】
2010525605.tif 000005
【図４】
2010525605.tif 000006
【図５】
2010525605.tif 000007
【国際調査報告】
2010525605.tif 000008