(57)【要約】  熱的に不安定な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が提供されている。トレンチを充填するために使い捨て材料が用いられ、その後、高温工程が実行された後に、熱的に敏感な充填材料に置換される。方法実施例により製造されたトレンチ型半導体デバイスも提供されている。
2010525611.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とを備えた半導体基板を提供する工程と、
（ｉｉ）前記半導体基板に複数のメサと複数のトレンチとを形成し、各メサが隣接する１つのトレンチと前記第１主表面から高濃度ドープ領域に向かって第１深さ位置まで延びる第１延設部とを有し、少なくとも１つのメサが第１側壁面と第２側壁面とを有し、前記複数のトレンチの夫々が底部を備えるようにする工程と、
（ｉｉｉ）前記少なくとも１つのメサの第１側壁面を第２導電型のドーパントでドープして、第２導電型の第１ドープ領域を形成する工程と、
（ｉｖ）前記少なくとも１つのメサの前記第２側壁面を第２導電型のドーパントでドープして、第２導電型の第２ドープ領域を形成する工程と、
（ｖ）前記第１主表面に隣接する前記複数のトレンチの少なくとも一部を使い捨て材料で充填する工程と、
（ｖｉ）前記複数のトレンチの少なくとも一部を充填した後、前記第１主表面に端子構造を形成する工程と、
（ｖｉｉ）前記端子構造が形成された後、前記複数のトレンチから前記使い捨て材料を除去する工程と、
（ｖｉｉｉ）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つで前記複数のトレンチを充填する工程と、
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】
前記半絶縁性材料及び絶縁性材料の少なくとも一方が、約８００℃以上の温度で熱的に不安定になる請求項１に記載のトレンチ型半導体デバイスの製造方法。
【請求項３】
前記半絶縁性材料及び絶縁性材料の少なくとも一方が、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２に記載のトレンチ型半導体デバイスの製造方法。
【請求項４】
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請求項１に記載のトレンチ型半導体デバイスの製造方法。
【請求項５】
前記半絶縁性材料及び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４に記載のトレンチ型半導体デバイスの製造方法。
【請求項６】
前記使い捨て材料が、約８００℃以上の温度で熱的に安定する請求項１に記載のトレンチ型半導体デバイスの製造方法。
【請求項７】
前記使い捨て材料が、シリコン酸化物、シリコン窒化物、テトラエチルオルトケイ酸塩（ＴＥＯＳ）及び多結晶シリコンからなるグループから選択される請求項６に記載のトレンチ型半導体デバイスの製造方法。
【請求項８】
前記端子構造を形成する工程が、
（ａ）前記第１主表面上にゲート電極を、これらの間に介在するゲート絶縁膜で形成すること、
（ｂ）第１トレンチの前記第１ドープ領域の前記第１主表面側に前記第２導電型の第３ドープ領域を形成し、前記第１トレンチの第１ドープ領域と電気的に接続させること、
（ｃ）第２トレンチの前記第２ドープ領域の前記第１主表面側に前記第２導電型の第４ドープ領域を形成し、前記第２トレンチの第２ドープ領域と電気的に接続させ、前記ゲート電極を前記第３及び第４ドープ領域の間に位置させること、
からなる請求項１に記載のトレンチ型半導体デバイスの製造方法。
【請求項９】
前記ゲート絶縁膜が前記第１主表面に形成される請求項８に記載のトレンチ型半導体デバイスの製造方法。
【請求項１０】
前記使い捨て材料を用いた充填工程に先立って、さらに
（ａ）前記第１導電型のドーパントで前記少なくとも１つのメサの前記第１側壁面をドーピングして、第１導電型の第１ドープ領域を形成すること、
（ｂ）前記第１導電型のドーパントで前記少なくとも１つのメサの前記第２側壁面をドーピングして、第１導電型の第２ドープ領域を形成すること、
からなる請求項１に記載のトレンチ型半導体デバイスの製造方法。
【請求項１１】
前記ドープする工程に先立って、さらに、第１及び第２側壁面を平滑にすることなる請求項１に記載の方トレンチ型半導体デバイスの製造法。
【請求項１２】
前記平滑する工程が、前記第１及び第２側壁面の犠牲酸化からなる請求項１１に記載のトレンチ型半導体デバイスの製造方法。
【請求項１３】
前記使い捨て材料を用いた充填工程に先立って、酸化物材料で前記トレンチの前記第１及び第２側壁面及び底部を裏打ちすることからなる請求項１に記載のトレンチ型半導体デバイスの製造方法。
【請求項１４】
前記使い捨て材料を用いた充填工程に先立って、窒化物材料で前記トレンチの前記第１及び第２側壁面及び底部を裏打ちすることからなる請求項１に記載のトレンチ型半導体デバイスの製造方法。
【請求項１５】
前記複数のトレンチが、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からなるグループから選択された１つ又は複数のエッチング技術を用いて形成される請求項１に記載のトレンチ型半導体デバイスの製造方法。
【請求項１６】
前記使い捨て材料を前記複数のトレンチから除去する工程が、等方性エッチングである請求項１に記載のトレンチ型半導体デバイスの製造方法。
【請求項１７】
前記トレンチ型半導体デバイスが、超接合金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）、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）、及びダイオードからなるグループから選択されたものである請求項１に記載のトレンチ型半導体デバイスの製造方法。
【請求項１８】
前記工程（ｉ）〜（ｖｉｉｉ）が連続して実行される請求項１に記載のトレンチ型半導体デバイスの製造方法。
【請求項１９】
前記各工程（ｉ）〜（ｖｉｉｉ）の開始に先立って、夫々の前工程が実質的に完了している請求項１に記載のトレンチ型半導体デバイスの製造方法。
【請求項２０】
前記各工程（ｉ）〜（ｖｉｉｉ）の開始に先立って、夫々の前工程が完全に完了している請求項１に記載のトレンチ型半導体デバイスの製造方法。
【請求項２１】
請求項１に記載のトレンチ型半導体デバイスの製造方法により製造され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】
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】
米国特許第５，２１６，２７５号に開示されたキシンビ・チェン博士（Dr. Xingbi Chen）による超接合デバイスの発明以降、当該発明に係る超接合効果を改良し向上させる多くの試みがなされてきた。米国特許第６，４１０，９５８号、米国特許第６，３００，１７１号、及び米国特許第６，３０７，２４６号は、そのような試みの一例であり本明細書において参照として挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第５，２１６，２７５号明細書
【特許文献２】米国特許第６，４１０，９５８号明細書
【特許文献３】米国特許第６，３００，１７１号明細書
【特許文献４】米国特許第６，３０７，２４６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つ又は複数のエッチングされたトレンチに充填する絶縁性材料が必要となる。この充填材料は、当該材料が超接合デバイスの電気的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する必要がある。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、或いは半絶縁性多結晶シリコン等の熱的に安定した材料が充填材料として用いられてきた。
【０００５】
好適な充填材料として、ポリイミド等の熱膨張率が低く被覆率に優れた有機材料が挙げられる。溶融した有機充填材料の粘度は一般的に低いものである。このため、従来の無機充填材料と比べて、充填工程において充填材料の内部に空隙が生じにくい。更に、表面リフロー法等の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、トレンチを有機充填材料で充填することができる。また、有機充填材料を備えたデバイスでは、破壊電圧における表面ポテンシャルがより安定することが期待される。これらの利点に拘らず、熱的に敏感な有機材料は、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十分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充填材料として用いられてこなかった。
【０００６】
このため、熱的に敏感な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は望ましいものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
全般的な特徴の一つとして、本発明の実施例により提供される方法では、トレンチを充填するために使い捨て材料が用いられ、その後、高温工程、つまり端子構造を形成するための工程が行われた後、熱的に敏感な充填材料に置換される。
【０００８】
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が設けられる。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導電型の第２領域とを備えている。前記半導体基板に複数のトレンチと複数のメサとが形成され、各メサが、隣接する１つのトレンチと、前記第１主表面から高濃度ドープ領域に向かって第１深さ位置まで延びる第１延設部を有している。少なくとも１つのメサが第１側壁面と第２側壁面とを有している。前記複数のトレンチのそれぞれが底部を備えている。更に、本方法は、前記少なくとも１つのメサの第１側壁面を第２導電型のドーパントでドープして、第２導電型の第１ドープ領域を形成する工程と、前記少なくとも１つのメサの前記第２側壁面を第２導電型のドーパントでドープして、第２導電型の第２ドープ領域を形成する工程とを含む。ドーピング工程の後、前記複数のトレンチの少なくとも一部に、表面近くで、使い捨て材料が充填される。そして、前記第１主表面に端子構造が形成される。更に、本方法は、前記複数のトレンチから前記使い捨て材料を除去する工程、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／又は絶縁性材料、又はそれらの組合せで前記複数のトレンチを充填する工程を含む。ある実施例では、前記半絶縁性材料及び／又は絶縁性材料、又はそれらの組合せは、約４５０℃以上の温度で熱的に不安定になる。
【０００９】
別の全体的な観点において、本発明の実施例は、本発明の実施例による方法によって製造されたトレンチ型半導体デバイスを含む。
【００１０】
ある特定の実施例では、本発明の実施例の方法又はデバイスで用いられる半絶縁性材料及び／又は絶縁性材料は有機材料である。
【００１１】
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。
【００１２】
上記の発明の要約、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。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】酸化及びトレンチエッチング後の半導体基板を拡大した部分断面図である。
【図２】トレンチの側壁面をドーピングし、トレンチに使い捨て材料を充填した後の半導体基板を拡大した部分断面図である。
【図３】超接合金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）デバイス用の端子構造形成後の半導体基板を拡大した部分断面図である。
【図４】層間絶縁膜（ＩＬＤ）堆積及び使い捨て充填材料を除去後の半導体基板を拡大した部分断面図である。
【図５】半絶縁性材料、絶縁性材料、又はそれらの組合せ等の材料でトレンチを充填した後の半導体基板を拡大した部分断面図である。
【図６】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を拡大した部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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、略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。しかしながら、当業者であれば、エッジが直線でなくても良いこと、及びコーナーが正確に角度を有するものでなくても良いことは明らかであろう。
【００１５】
種々の刊行物、論文、特許が、発明の背景及び明細書全体に亘って引用され、記載されているが、これらは夫々、その全体を参照して本明細書に挙げられる。本明細書に含まれる文献、法律、材料、装置、物品等に関する記載は、本発明の実施例の概念を説明するためのものである。このような記載は、これらの事項のいずれか又は全てが、ここに開示される又は請求される発明に関する従来技術の一部を構成することを容認するものではない。
【００１６】
特に断りがない限り、ここで用いられる技術及び専門用語のすべては、本発明が関わる分野における当業者に共通して理解されるものと同じ意味を有する。本出願において、いくつかの用語は頻繁に使用され、後述の意味を有するものとする。また、これらの用語は本明細書において詳細に後述する。
【００１７】
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、夫々、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ものとして記載される。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。更には、明細書及び添付の請求の範囲で用いられる「ひとつの（ａ、ａｎ）」及び「前記（ｔｈｅ）」は、前後関係において明確に特に断りがない限り、複数形も含むものである。
【００１８】
本発明のいずれの実施例も、特定の導電性（例えば、ｐ型又はｎ型）に言及しているが、ｐ型導電性からｎ型導電性への変更、或いはその逆は可能であり、係る場合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）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・ウエハに作成することができる。
【００１９】
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）を注入して形成さ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）、或いはアンチモン（Ｓｂ）を注入して形成することが可能である。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--）されていても良い。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。
【００２０】
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）を注入して形成さ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）或いはアルミニウム（Ａｌ）を注入して形成することが可能である。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--）されていても良い。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。
【００２１】
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（in-situでの）気相成長法等、ｎ型又は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、或いは今後開発される方法又は設備を用いて実施することができる。
【００２２】
本明細書に記載されるように、「有機材料」は有機化合物からなる材料を示す。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良い。また、有機化合物は、窒素、酸素、ハロゲン、リン、硫黄等の他の元素のうちいくつ含有していても良い。
【００２３】
本明細書に記載されるように、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」又は「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、分解等が挙げられる。一般的に、有機化合物は、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。
【００２４】
本明細書に記載されるように、「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つ又は複数を有する構造を示す。「端子構造」は、例えば、ゲート電極、ソース電極、又はドレイン電極等の半導体デバイスに接続された電極である。また、「端子構造」は、例えば、半導体デバイスに接続された電極に近接した、或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良い。このようなドープされた領域の例としては、ボディ領域、ボディコンタクト領域、及びソース領域等が挙げられるが、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、或いは複数の組合せであっても良い。本発明の実施例の1つでは、「端子構造」は、ゲート電極、ボディ領域、ボディコンタクト領域、ソース領域、及びソース電極からなる。
【００２５】
本発明の実施例によるデバイスは、多孔質構造（ボディ領域が複数の多孔質領域である）、単体構造（ボディ領域が、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良い。以下の説明では、理解を容易にするためにデバイスは多孔質構造として記載するが、本発明の実施例は、多孔質構造、単体構造、又はそれらの組合せを含むものである。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／又は他の構成要素と共に、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。或いは、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。
【００２６】
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、ボディｐ拡散、ボディコンタクトｐ拡散、及びソースｎ拡散等の約８００℃〜１２００℃で行わ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充填材料は、約８００℃〜１２００℃において熱的に安定している必要がある。しかし、利用可能な有機材料の多くは、約３００℃〜約８００℃以上の温度では熱的に不安定である。このため、このような有機材料は、従来技術又は先行技術の工程において充填材料として用いることはできなかった。
【００２７】
有機材料を含む熱的に敏感な材料は、係属中の米国特許出願第１１／９６２５２３号明細書に記載されているように、トレンチの形成、トレンチのドーピング、トレンチの充填に先立って、端子構造を少なくとも部分的に形成することを要する方法において充填材料として用いることができる。しかし、端子構造において、ボディコンタクト及びソース領域を所望の浅さに維持するために、トレンチの側壁面でのドーピングを、長時間高温で行うことはできない。これにより、トレンチの側壁面におけるドープされる領域の幅は制限されるので、超接合デバイスにおけるｐ及びｎコラムの幅の選択を制限するものとなる。
【００２８】
好適な実施例による方法において、トレンチを一時的に充填するために、使い捨て材料が用いられ、その後、例えば、端子構造の形成に必要となる高温工程が行われた後、熱的に敏感な充填材料に置換される。好適な実施例によると、トレンチの形成及びトレンチのドーピングの工程は、端子構造を形成する工程の前に行われる。トレンチをドーピングする際、高温及び長時間になっても構わない。これらが端子構造の構造上の完全状態に影響を与えることはないからである。従って、トレンチの側壁面は、所望通り、浅く又は深くドープされることができ、トレンチ型超接合デバイスにおいて、ｐ及びｎコラムの交互する構造をより柔軟に選択することができる。
【００２９】
図１は、本発明の好適な実施例による、酸化及びトレンチのエッチング後の半導体基板１０を拡大した部分断面図であり、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／又はガリウム及び／又はインジウムの燐化物等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。
【００３０】
種々の実施例において、半導体基板１０はシリコンウエハからなる。シリコンウエハは、標準的な技術を用いて作製することができる。例えば、好適なウエハは、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使用するのに好適なシリコンウエハは、ドープされていなくても良いし、ｐ型或いはｎ型導電性で高濃度或いは低濃度でドープされていても良い。
【００３１】
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、共に同じ導電性のドーパントがドープされている。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型の導電性でドープされたシリコンウエハからなり、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。
【００３２】
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を利用して堆積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上に堆積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に示すようなｎ型導電性である第１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型導電性で約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当なエピタキシャル成長装置でも用いることができる。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。所望の破壊電圧がより高いデバイスでは、エピタキシャル層も厚くなる。ある実施例では、約６００Ｖの破壊電圧を有するデバイスの場合、層５の厚さは約４０〜５０ミクロンである。
【００３３】
酸化膜７は、エピタキシャル層５の上面に成長又は堆積される。酸化膜７は、トレンチのエッチングにおいて、上面２を保護するのに十分な厚みである。ある実施例では、酸化膜７は、シリコン酸化物を有しており、厚さが約０．５ミクロン〜約１ミクロンである。別の実施例では、酸化膜７は、シリコン窒化物、五酸化タンタル、二酸化チタン、バリウムチタン酸ストロンチウム、又は、シリコン酸化物との組合せを含むこれらの組み合わせ、または良好なエッチング選択性を有する材料等からなる。
【００３４】
１つ又は複数のトレンチ９が、主表面２から延びる層５に、高濃度でドープされたｎ＋領域３とエピタキシャル層５との間の界面６に接触、接近、又は貫通するように形成されている。しかし、トレンチ９は界面６に接触又は接近している必要はない。トレンチ９は、主表面２から所定の深さ位置まで延びる層５に形成しても良く、層５を貫通して、基板３に達していても良い。各トレンチ９は近傍のメサ１１に隣接している。トレンチ９及びメサ１１の多くの幾何学的構造（つまり平面視で）が、本発明から逸脱しない範囲で考えられる。トレンチの形状は矩形に限定されるものではない。ドッグボーン形や、丸みのある端部を有する矩形や、十字形等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。
【００３５】
好ましくは、トレンチ９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等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９は、約４０μｍ〜約３００μｍ、或いはそれより更に深い深さを有し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９が可能になる。更に、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又は形成されたトレンチ９よりも直線の側壁を有する、より深いトレンチ９を形成することは、最終的に、従来の半導体トランジスタデバイスと較べて、なだれ降伏電圧（Ｖｂ）特性に優れた超接合デバイスが得られる結果となる（つまり、なだれ降伏電圧（Ｖｂ）が約２００〜１２００ボルト以上に大きくすることが可能である）。
【００３６】
各トレンチ９の側壁は、必要であれば、例えば、次の工程のうちの１つ又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、或いは（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）酸腐食液等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理想的である。等方性エッチングとは対照的に、一般的に、異方性エッチングはエッチングされる材料において異なる方向に異なる腐食率を有する。
【００３７】
図２は、トレンチの側壁面をドーピングし、トレンチに使い捨ての材料を充填した後の半導体基板１０を拡大した部分断面図である。互いに略平行に並ぶ各トレンチ９の第１側壁面１３と第２側壁面１５とは、従来、公知の技術を用いて、ホウ素（Ｐ）等のｐドーパントで注入、又はドープされる。好ましくは、この注入は、例えば、約４０キロエレクトロンボルト（ｋｅＶ）〜数メガｅＶの範囲の高いエネルギーレベルで、トレンチ９の幅及び深さによって決められる注入角度Φ（図示せず）で、マスキング工程を用いることなく行われる。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１３、１５のみを注入することが可能となる。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。
【００３８】
明確に示してはいないが、ある実施例では、例えばトレンチ９が成長した酸化物で充填される際、トレンチ充填工程を容易にするために、トレンチ９が頂部が底部よりも約１〜１０％だけわずかに広くなっていることが好ましい。したがって、トレンチ９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１３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１５とを備えることになる。第１側壁面１３の傾斜は、エッチング工程の公差によっては、第２側壁面１５の傾斜と略同じとなる。他のドーピング技術を用いることもできる。
【００３９】
両側壁面１３、１５にｐ型インプラントを注入した後、ｐ型ドープ領域１７、１９を夫々形成するために、公知の技術を用いてドライブイン工程（つまり拡散）が行われる。ドライブイン工程の温度及び時間は、注入されたドーパントをメサ１１内に十分ドライブインするように選択されることが好ましい。一実施例では、ドライブイン工程は、約１２００℃までの温度で約２４時間まで行われる。ドライブイン工程後、２つのトレンチ９に隣接するメサ１１は、ｐコラム１７、１９及びｎコラム２３からなるｐｎｐコラム２１に変換される。ｎコラム２３は、層５と同じキャリア濃度を有している。
【００４０】
別実施例（図２には示していない）では、トレンチのエッチング後、トレンチの側壁面１３、１５は、上述した方法に類似した方法を用いて、層５よりも高いキャリア濃度でｎ型ドーパントがドープされる。拡散工程は、約１１５０℃〜１２００℃で、約１５〜２０時間行われる。トレンチの側壁面１３、１５は更にｐ型ドーパントがドープされ、その後、約１１５０℃〜１２００℃で約１〜２時間行われる拡散工程が行われる。本実施例では、ｐｎｐコラム２１は、エピタキシャル層５よりも高いキャリア濃度を有している。
【００４１】
また、通常、蒸気又は酸素雰囲気で行われる酸化工程も、トレンチ９の側壁１３、１５及び底部にシリコン二酸化物層（図示せず）を形成するドライブイン工程と共に、或いはその後に行われても良い。また、シリコン窒化物の薄膜（図示せず）も、トレンチ９の側壁１３、１５及び底部に堆積することができる。熱酸化されたシリコンウエハにシリコン窒化物を堆積しても、Ｓｉ−ＳｉＯ２界面の基本特性には影響はない。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。また、シリコン窒化物の層は、ｐｎｐコラム２１のシリコン及びシリコン酸化物を、トレンチ９に充填される充填材料から絶縁保護すべく機能する。
【００４２】
トレンチ９のシリコン窒化物による裏打ちは、一般的にＣＶＤ（熱又はプラズマ）により行うことが可能である。トレンチ９のシリコン二酸化物による裏打ちは、一般的にＣＶＤ（熱、プラズマ、スピンオンガラス（ＳＯＧ））により行うことが可能である。好ましくは、トレンチ９のシリコン二酸化物及び／又はシリコン窒化物による裏打ちは、テトラエチルオルトケイ酸塩（ＴＥＯＳ）を用いて行うと良い。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）であると好適である。
【００４３】
ドープされたコラムを形成するためのドーパント注入及び拡散後、トレンチ９には、第１主表面２（「頂部」）近傍のトレンチ９の少なくとも一部において、使い捨て材料２５が一時的に充填される。一実施例において、トレンチ９は、頂部を使い捨て材料２５でキャップ又は密閉されている。別実施例では、トレンチ９は、使い捨て材料２５で完全に充填されている。
【００４４】
使い捨て材料２５は、約８００℃以上の温度で熱的に安定する材料であれば良い。使い捨て材料はシリコンとは材質が異なっており、シリコン基板の残余部分に影響を与えずに、使い捨て材料の除去に続いて選択的なエッチング工程が行われるようになっていることが好ましい。
【００４５】
好適な実施例による使い捨て材料２５として用いるのに適切な材料は、シリカ及びケイ酸塩系化合物、エピタキシー、ＴＥＯＳ、多結晶シリコン、又は半絶縁性多結晶シリコンであるが、これらに限定されるものではない。適切なシリカ及びケイ酸塩化合物は、ＳｉｘＯｙ式の材料を含み、種々の好適な実施例では、ＳｉＯ２である。
【００４６】
一実施例では、トレンチ９又は少なくともトレンチ９の頂部は、スピニング ゾル・ゲル法によって、使い捨て材料２５で充填される。安定したコロイド粒子の懸濁液（つまりゾル）として調整可能で、ゾル・ゲル変化が可能なシリカ、ケイ酸塩、又は他の材料が、スピンオン法を用いてトレンチ９に適用できる。種々の実施例で用いることのできる適切なスピンオングラス法は、膜の塗布、又はゾル状使い捨て充填材料の薄膜コーティング等である。ゾル状使い捨て材料は、スピニング機構に載置された物品の表面に付与することができる。その表面は、付与に先立って洗浄されていることが好ましく、ゾル状使い捨て材料は、表面の中央（つまりスピニング軸）に、滴下するように付与される。物品は、約数千ｒｐｍの速度で回転する。結果として生ずる膜は、一般的に、表面に付与された材料の量、材料の粘度、及びスピンの回転速度の関数となる。
【００４７】
ゾル状使い捨て材料が表面に接触すると、スピニング遠心力が、表面全体に亘って略均一にゾルを散逸させ、ゾルはゲルへと変化する。分子間相互作用の特定の理論に拘束されるものではないが、遠心力、材料の粘度、及び／又は表面張力の組合せによって、トレンチ９の開口部上にゲルが形成され、従って、種々の実施例によって、トレンチ９全体を充填するか、又は少なくともトレンチ９の頂部を密閉するようになっている。
【００４８】
また、好適な実施例で使用可能な使い捨て材料は、堆積法によっても付与することができる。適切な堆積技術は、例えば、大気圧化学気相成長法（ＡＰＣＶＤ）によるシリカ堆積である。他の適切な堆積技術は、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）である。
【００４９】
図３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を拡大した部分断面図である。ボディ、つまりドープされた領域３１が、ｐコラム１７、１９及びｎコラム２３の一部において第１主表面２に形成されている。一実施例においては、ボディ領域３１は、デバイスの導電チャネルとして機能する反転層を形成するのに適切なドーパント濃度を有するｐ型導電性からなる。ボディ領域３１は、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。ｎ型ソース領域３３はボディ領域３１内、或いはボディ領域３１に形成されており、主表面２から、約０．２〜約０．５ミクロンの深さまで延びている。また、ｐ型ボディコンタクト又はコンタクト領域３５もボディ領域３１に形成されており、主表面２でボディ領域３１により低い接触抵抗を付与する。一実施例では、ｐボディ領域３１、ｐボディコンタクト３５、又はソース３３を形成するために、ｐ型ドーパント又はｎ型ドーパントが、約３０〜１０００ｋｅｖのエネルギーレベルで、約１ｘ１０１０〜約１ｘ１０１６原子ｃｍ−２、好ましくは、約１ｘ１０１４〜約１ｘ１０１６原子ｃｍ−２のドーズ量範囲で、酸化膜７を介してｐｎｐコラム２１内にイオン注入され、これに、高温でのドライブイン工程（つまり拡散）が行われる。
【００５０】
ゲート電極２９は、公知の技術を用いて、酸化膜７上に形成される。ゲート電極２９は、例えば、金属、ドープされた多結晶シリコン、単結晶シリコン、或いはそれらの組合せからなっていても良い。好適な実施例では、ゲート電極２９は、３つのドープ領域であるｐボディ領域３１、ｎソース領域３３、及びｐボディコンタクト３５の形成前に形成される。ゲート電極２９に３つのドープ領域３１、３３、３５を正確に整合させるために、セルフアライメント技術が用いられる。別の実施例では、ゲート電極２９は、３つのドープ領域３１、３３、３５の形成前に形成される。
【００５１】
図４は、層間絶縁膜（ＩＬＤ）堆積及び使い捨て充填材料除去後の半導体基板１０を拡大した部分断面図である。層間絶縁膜（ＩＬＤ）堆積物３７が、ゲート電極２９、及び主表面２の酸化膜７上に堆積される。一実施例では、ＩＬＤ膜３７は、厚さが約０．５〜約１．５ミクロンで堆積されたシリコン酸化物である。その後、トレンチ９からＩＬＤ堆積物を除去するために、ＩＬＤエッチングが行われる。
【００５２】
トレンチ９内の使い捨て充填材料２５は、公知の方法によって除去される。一実施例において、使い捨て材料２５は等方性エッチングによって除去される。つまり、エッチャント物質を用いた化学工程による、材料の基板からの無方向除去である。エッチャントは、腐食液又はプラズマであっても良い。エッチャントは、充填材料２５とシリコンとの間で高いエッチング選択性を有していることが好ましい。
【００５３】
トレンチ９から使い捨て材料２５が除去された後、トレンチには、半絶縁性材料、絶縁性材料、又はそれらの組合せ等の材料３９が充填される（図５）。トレンチ充填後は、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又は不安定な材料を充填材料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」工程等特定の場合では、５００℃までの温度が必要になることがある。従って、充填材料は、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、充填材料は約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良い。
【００５４】
一実施例では、ポリイミドや他のポリマー樹脂、或いはそれらの組合せ等、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９を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又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℃以上であっても良い。これは、半導体デバイス用のパシベーション皮膜又は金属−金属中間層に利用されてきたものである。
【００５５】
一旦、トレンチ９が充填されると、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。
【００５６】
図６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を拡大した部分断面図である。コンタクトホール開口部４１は、第２主表面２上で全てのボディコンタクト３５と一部のソース３３とを露出させるために、３つのドープ領域３１、３３、３５上の適切な位置のＩＬＤ堆積物３７及び酸化物層７を除去することにより形成される。公知の方法を用いて、コンタクトホール開口部４１と上面８とに金属層４３を堆積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、又はＰＳＧ等の適切なパシベーション材料で行われる。背面又はドレイン電極４５も、第２主表面４に設けられる。
【００５７】
本発明の工程の実施例は用途が広く、トレンチ９の側壁面１３、１５を、所望の厚さでｐ及び／又はｎコラムでドープすることができたり、熱的に安定した及び不安定な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コラムとを入れ替えたりすることができる。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、超接合絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ダイオード、及び類似のデバイス等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。
【００５８】
別の全般的な特徴において、本発明の実施例はまた、上述した方法により製造されたトレンチタイプ半導体デバイスを含む。本発明の一実施例において、トレンチ型半導体デバイスは、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、又は約７５０℃以上の温度で熱的に不安定になる半絶縁性材料及び／又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、ポリイミド等の有機の半絶縁性材料及び／又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半導体デバイスを提供する。
【００５９】
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含むものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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