(57)【要約】【課題】通常のシリコンプロセスで用いられるリンやボロンをドーパントとして用いてフィールドストップ層などの深い拡散層を形成するとともに、良好な特性を有するトレンチゲート構造を形成すること。【解決手段】（１１０）面を主面とするシリコンウェハに、（１１０）面に垂直な（００１）面がトレンチ側壁に露出するようにトレンチ２３を形成し、このトレンチ２３の中にゲート酸化膜２５を介してゲート電極２４を形成する。そして、ウェハ裏面の（１１０）面に対して垂直にリンイオンを注入して、フィールドストップ層３１となる深い拡散層を形成する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板表面側に形成されたトレンチゲート構造と、基板裏面側に形成された深い拡散層と、を有する半導体装置を製造するにあたって、
（１１０）面を主面とするシリコンウェハに、（１１０）面に垂直な（００１）面がトレンチ側壁に露出するようにトレンチを形成する工程と、
前記トレンチの内側にゲート酸化膜を形成する工程と、
前記ゲート酸化膜の内側にゲート電極を形成する工程と、
前記ウェハの（１１０）面に対して垂直にドーパントを注入する工程と、
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】
前記ドーパントは、リンまたはボロン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】
基板表面側に形成されたトレンチゲート構造と、基板裏面側に形成されたフィールドストップ構造と、を有する絶縁ゲート型バイポーラトランジスタよりなる半導体装置を製造するにあたって、
（１１０）面を主面とするシリコンウェハに、（１１０）面に垂直な（００１）面がトレンチ側壁に露出するようにトレンチを形成する工程と、
前記トレンチの内側にゲート酸化膜を形成する工程と、
前記ゲート酸化膜の内側にゲート電極を形成する工程と、
前記ウェハの（１１０）面に対して垂直にドーパントを注入してフィールドストップ層となる深い拡散層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記ドーパントは、リンであることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
（１１０）面を主面とするシリコン半導体基板の表面側に、（１１０）面に垂直な（００１）面をトレンチ側壁とするトレンチが形成され、該トレンチ内にゲート酸化膜を介してゲート電極が設けられたトレンチゲート構造と、
前記シリコン半導体基板の裏面側に形成された、リンまたはボロンをドーパントとして含む深い拡散層と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
（１１０）面を主面とするシリコン半導体基板の表面側に、（１１０）面に垂直な（００１）面をトレンチ側壁とするトレンチが形成され、該トレンチ内にゲート酸化膜を介してゲート電極が設けられたトレンチゲート構造と、
前記シリコン半導体基板の裏面側に形成された、リンをドーパントとして含むフィールドストップ層となる深い拡散層と、
を有する絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを構成することを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体装置の製造方法および半導体装置に関し、特にトレンチゲート構造と、フィールドストップ層となる深い拡散層を備えた絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ等を構成する半導体装置の製造方法および半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電力変換装置に用いられるパワーＭＯＳＦＥＴや絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（以下、ＩＧＢＴとする）やサイリスタやダイオードなどにおいて、トレンチゲート構造が実用化されている。トレンチゲート構造は、基板表面のトレンチ内にゲート酸化膜を介してゲート電極が設けられた構造であり、チャネル密度が飛躍的に向上するという利点を有している。
【０００３】
図７および図８は、それぞれトレンチゲート構造およびプレーナゲート構造を有するフィールドストップ型のＩＧＢＴ（以下、ＦＳ−ＩＧＢＴとする）の構成を示す断面図である。図７に示すように、トレンチゲート型ＦＳ−ＩＧＢＴでは、ｎ-ドリフト層１の表面側には、ｐベース領域２を貫通するトレンチ３が設けられている。ゲート電極４は、トレンチ３内にゲート酸化膜５を介して設けられている。
【０００４】
ｎ+エミッタ領域６は、ｐベース領域２内にトレンチ３に接して設けられている。エミッタ電極７は、ｐベース領域２およびｎ+エミッタ領域６に接触し、かつ層間絶縁膜８によりゲート電極４から絶縁されている。
【０００５】
ｎ-ドリフト層１の裏面側には、ホールの注入層となるｐ+コレクタ層９とこれに接触するコレクタ電極１０が設けられている。また、ｎ+フィールドストップ層１１が、ｐ+コレクタ層９とｎ-ドリフト層１との間に設けられている。
【０００６】
図８に示すように、プレーナゲート型ＦＳ−ＩＧＢＴでは、ゲート電極４は、ｎ-ドリフト層１の表面上に、ゲート酸化膜５を介して設けられている。その他の構成は、上述したトレンチゲート型ＦＳ−ＩＧＢＴの構成と同様である。
【０００７】
図７に示す構成と図８に示す構成との比較より明らかなように、トレンチゲート構造を用いることによって、チャネル密度を向上させることができる。また、キャリアの蓄積効果が向上するため、チャネル抵抗成分の寄与が小さい高耐圧デバイスにおいて、低損失化を図ることができる。
【０００８】
図９は、プレーナゲート構造を有するＦＳ−ＩＧＢＴとノンパンチスルー型のＩＧＢＴ（以下、ＮＰＴ−ＩＧＢＴとする）との構成を比較するためにそれぞれの要部を示す断面図であり、同図（ａ）はＦＳ−ＩＧＢＴを、また同図（ｂ）はＮＰＴ−ＩＧＢＴをそれぞれ示している。なお、図９においては、層間絶縁膜、エミッタ電極およびコレクタ電極は省略されている。
【０００９】
図９（ｂ）に示すように、ＮＰＴ−ＩＧＢＴには、フィールドストップ層がない。そのため、ドリフト層１をＦＳ−ＩＧＢＴよりも厚くして、オフ時に空乏層がコレクタ側に接触しないようにする必要がある。換言すれば、ＦＳ−ＩＧＢＴでは、空乏層を止めるためのフィールドストップ層１１が設けられているため、ＮＰＴ−ＩＧＢＴよりもドリフト層１を薄くすることができる。
【００１０】
このため、ＦＳ−ＩＧＢＴでは、コレクタ−エミッタ間飽和電圧ＶCE(sat)を低減することができるという利点がある。また、過剰キャリアが少ないことと、空乏層が伸びきった状態での中性領域の残り幅が少ないことにより、ターンオフ損失を低減することができるという利点がある。なお、図９（ｂ）において、二点鎖線は、ＮＰＴ−ＩＧＢＴにおける伸びきった空乏層の位置を示している。
【００１１】
ところで、フィールドストップ層１１は、基板裏面側に形成される。そして、フィールドストップ層１１については、そのプロファイルが奥深く広がるほど、良好な特性が得られることが知られている。このため、フィールドストップ層１１として深い拡散層を形成する必要がある。
【００１２】
しかし、通常のシリコンプロセスで用いられるｎ型のドーパントのうち、最も投影飛程が大きく、かつシリコン中での拡散係数が大きいリン（Ｐ）を用いても、フィールドストップ層１１となる深い拡散層を形成することはできない。そこで、ドーパントして、リンよりも拡散係数が大きいセレン（Ｓｅ）や硫黄（Ｓ）を用いることが提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。
【００１３】
【特許文献１】特表２００２−５２０８８５号公報
【特許文献２】特表２００２−５２０８８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、通常のシリコンプロセスにおいて、セレンや硫黄がドーパントとして用いられることはないため、汚染によるデバイス特性低下や良品率低下などを防止する必要がある。そのためには、専用のイオン注入装置や拡散炉や洗浄装置などを用意する必要があり、コストの増大を招く。また、ドーパントとしてリンを用いる場合、あるいは熱処理温度や熱処理時間に制限があるために大きな拡散が得られない場合には、高加速でイオン注入を行うことができる高価で特別なイオン注入装置を用意する必要がある。
【００１５】
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、シリコンウェハの結晶面方位の最適化を図ることにより、通常のシリコンプロセスで用いられるリンやボロンをドーパントとして用いてフィールドストップ層などの深い拡散層を形成することができ、かつ良好な特性を有するトレンチゲート構造を形成す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。また、この発明は、通常のシリコンプロセスで用いられるリンやボロンをドーパントとして含むフィールドストップ層などの深い拡散層と、良好な特性を有するトレンチゲート構造を有する半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１の発明にかかる半導体装置の製造方法は、基板表面側に形成されたトレンチゲート構造と、基板裏面側に形成された深い拡散層と、を有する半導体装置を製造するにあたって、（１１０）面を主面とするシリコンウェハに、（１１０）面に垂直な（００１）面がトレンチ側壁に露出するようにトレンチを形成する工程と、前記トレンチの内側にゲート酸化膜を形成する工程と、前記ゲート酸化膜の内側にゲート電極を形成する工程と、前記ウェハの（１１０）面に対して垂直にドーパントを注入する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１７】
この請求項１の発明によれば、イオン注入法によりウェハの（１１０）面に対して垂直にドーパントを注入することにより、＜１１０＞軸チャネリングを利用して、深いドーパントプロファイルを有する拡散層を形成することができる。また、トレンチ側壁において、ゲート酸化膜であるＳｉＯ2がシリコンの（００１）面に接触するので、ＳｉＯ2中の固定電荷密度および界面電荷密度が小さくて、キャリアの移動度が大きい良好なＳｉＯ2／Ｓｉ界面が得られる。
【００１８】
請求項２の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項１に記載の発明において、前記ドーパントは、リンまたはボロンであることを特徴とする。
【００１９】
この請求項２の発明によれば、通常のシリコンプロセスで用いられるリンやボロンをドーパントとして用いて、深い拡散層を形成することができる。
【００２０】
また、上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項３の発明にかかる半導体装置の製造方法は、基板表面側に形成されたトレンチゲート構造と、基板裏面側に形成されたフィールドストップ構造と、を有する絶縁ゲート型バイポーラトランジスタよりなる半導体装置を製造するにあたって、（１１０）面を主面とするシリコンウェハに、（１１０）面に垂直な（００１）面がトレンチ側壁に露出するようにトレンチを形成する工程と、前記トレンチの内側にゲート酸化膜を形成する工程と、前記ゲート酸化膜の内側にゲート電極を形成する工程と、前記ウェハの（１１０）面に対して垂直にドーパントを注入してフィールドストップ層となる深い拡散層を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【００２１】
この請求項３の発明によれば、イオン注入法によりウェハの（１１０）面に対して垂直にドーパントを注入することにより、＜１１０＞軸チャネリングを利用して、深いドーパントプロファイルを有するフィールドストップ層を形成することができる。また、トレンチ側壁において、ゲート酸化膜であるＳｉＯ2がシリコンの（００１）面に接触するので、ＳｉＯ2中の固定電荷密度および界面電荷密度が小さくて、キャリアの移動度が大きい良好な界面が得られる。
【００２２】
請求項４の発明にかかる半導体装置の製造方法は、請求項３に記載の発明において、前記ドーパントは、リンであることを特徴とする。
【００２３】
この請求項４の発明によれば、通常のシリコンプロセスで用いられるリンをドーパントとして用いて、深いフィールドストップ層を形成することができる。
【００２４】
また、上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項５の発明にかかる半導体装置は、（１１０）面を主面とするシリコン半導体基板の表面側に、（１１０）面に垂直な（００１）面をトレンチ側壁とするトレンチが形成され、該トレンチ内にゲート酸化膜を介してゲート電極が設けられたトレンチゲート構造と、前記シリコン半導体基板の裏面側に形成された、リンまたはボロンをドーパントとして含む深い拡散層と、を備えることを特徴とする。
【００２５】
この請求項５の発明によれば、トレンチ側壁において、ゲート酸化膜であるＳｉＯ2がシリコンの（００１）面に接触するので、ＳｉＯ2中の固定電荷密度および界面電荷密度が小さくて、キャリアの移動度が大きい良好な界面が得られる。また、イオン注入法によりウェハの（１１０）面に対して垂直にリンまたはボロンをドーパントとして注入すれば、＜１１０＞軸チャネリングによって、深いドーパントプロファイルを有する拡散層が得られる。
【００２６】
また、上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項６の発明にかかる半導体装置は、（１１０）面を主面とするシリコン半導体基板の表面側に、（１１０）面に垂直な（００１）面をトレンチ側壁とするトレンチが形成され、該トレンチ内にゲート酸化膜を介してゲート電極が設けられたトレンチゲート構造と、前記シリコン半導体基板の裏面側に形成された、リンをドーパントとして含むフィールドストップ層となる深い拡散層と、を有する絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを構成することを特徴とする。
【００２７】
この請求項６の発明によれば、トレンチ側壁において、ゲート酸化膜であるＳｉＯ2がシリコンの（００１）面に接触するので、ＳｉＯ2中の固定電荷密度および界面電荷密度が小さくて、キャリアの移動度が大きい良好な界面が得られる。また、イオン注入法によりウェハの（１１０）面に対して垂直にリンをドーパントとして注入すれば、＜１１０＞軸チャネリングによって、深いドーパントプロファイルを有するフィールドストップ層が得られる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明にかかる半導体装置の製造方法および半導体装置によれば、通常のシリコンプロセスで用いられるリンやボロンをドーパントとしたフィールドストップ層などの深い拡散層を有する半導体装置が得られる。また、界面準位等が少なく、キャリアの移動度が大きい良好なトレンチゲート構造を有する半導体装置が得られる。従って、特別な装置を用意しなくても、フィールドストップ層などの深い拡散層と、良好な特性のトレンチゲート構造の両方を有する半導体装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置の製造方法および半導体装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００３０】
図２は、本発明の実施の形態にかかるトレンチゲート構造を有するＦＳ−ＩＧＢＴの構成を示す断面図である。図２に示すように、ｎ-ドリフト層２１の表面側には、ｐベース領域２２を貫通するトレンチ２３が設けられている。ゲート電極２４は、トレンチ２３内にゲート酸化膜２５を介して設けられている。図２において、ゲート電極２４はポリシリコンでできており、その上の符号３２で示すものは、ゲート電極２４に接触するメタルのゲート電極である。
【００３１】
ｎ+エミッタ領域２６は、ｐベース領域２２内にトレンチ２３に接して設けられている。エミッタ電極２７は、ｐベース領域２２およびｎ+エミッタ領域２６に接触し、かつ図示省略した層間絶縁膜によりゲート電極２４から絶縁されている。
【００３２】
ｎ-ドリフト層２１の裏面側には、ホールの注入層となるｐ+コレクタ層２９とこれに接触するコレクタ電極３０が設けられている。また、ｎ+フィールドストップ層３１は、ｐ+コレクタ層２９とｎ-ドリフト層２１との間に設けられている。
【００３３】
ここで、ｎ-ドリフト層２１となるシリコンウェハの結晶面方位は、（１１０）面である。従って、ｐベース領域２２およびｎ+エミッタ領域２６の、エミッタ電極２７および図示省略した層間絶縁膜と接触する界面の結晶面方位は、（１１０）面である。また、トレンチ２３をウェハ表面に対して垂直に形成することによって、トレンチ２３の側壁において、ｐベース領域２２およびｎ+エミッタ領域２６の、ゲート酸化膜２５と接触する界面の結晶面方位は、（１１０）面に垂直な（００１）面となっている。
【００３４】
ゲートトレンチ構造を形成するにあたっては、トレンチ２３内にゲート酸化膜２５を形成し、さらにその内側にゲート電極２４となるドープトポリシリコンを埋める。主面の結晶面方位が（１１０）面であるシリコンウェハを用いた場合、その主面上に通常のプレーナゲート構造を形成すると、ゲート酸化膜であるＳｉＯ2がシリコンの（１１０）面に接触するため、ＳｉＯ2中の固定電荷密度および界面電荷密度が大きくなり、キャリアの移動度が小さくなってしまう。
【００３５】
それに対して、実施の形態では、（１１０）面を主面とするシリコンウェハに、（００１）面がトレンチ側壁に露出するようにトレンチ２３が形成されているので、通常のプレーナゲート構造を有するＩＧＢＴ等と同様に、ゲート酸化膜２５であるＳｉＯ2は、シリコンの（００１）面に接触することになる。従って、ゲート酸化膜とシリコンとの界面は、ＳｉＯ2中の固定電荷密度および界面電荷密度が少なく、キャリアの移動度が大きい良好な界面となる。
【００３６】
図１は、図２に示す構成のＦＳ−ＩＧＢＴのフィールドストップ層の形成方法を説明するための断面図である。ｎ+フィールドストップ層３１を形成するにあたっては、ウェハの裏面側から、ドーパントとしてリンをイオン注入する。ウェハ裏面の結晶面方位は、（１１０）面である。このときのイオン注入条件は、ウェハ注入角度（チルト角度）を０°、すなわち（１１０）面に対して垂直とし、＜１１０＞軸チャネリングを生じさせる。
【００３７】
図３は、シリコンウェハの（１１０）面を＜１１０＞軸方向から見たときのシリコン格子を模式的に示す図であり、同図において、符号４１はシリコン原子であり、符号４２は、シリコン原子の結晶の配列で形成されるチャネル（隙間）である。このチャネルに沿って注入イオンが深く進入する現象が、チャネリングである。
【００３８】
比較として、図５に、シリコンウェハの（１００）面を＜１００＞軸方向から見たときのシリコン格子の模式図を示す。図５において、符号５１はシリコン原子であり、符号５２はチャネルである。図３と図５の比較より明らかなように、（１１０）面に生じるチャネル４２は、（１００）面に生じるチャネル５２よりも遥かに大きい。このため、（１１０）面と（１００）面とに同じようにチルト角度０°でリン等のドーパントを注入する場合、（１１０）面を主面とするシリコンウェハを用いた方が、チャネリングによるドーパントプロファイルの広がりが遥かに大きく、深い拡散層の形成に対して有利である。
【００３９】
１ＭｅＶの注入エネルギーでＰ+（リンイオン）をイオン注入したときのプロファイルの一例を図４および図６に示す。図４は、（１１０）面に対するプロファイルであり、図６は、（１００）面に対するプロファイルである。両図の比較より、（１１０）面に対してイオン注入をした方が、Ｐ+が深くまで拡散しているのがわかる。
【００４０】
また、フィールドストップ層３１を形成するためのイオン注入を行う際には、パラレルスキャン方式の注入装置を用いることが望ましい。そうすれば、ウェハ中央部と外周部とで注入角度の差がつくことによるプロファイルのばらつきを防ぐことができるからである。
【００４１】
さらに、そのイオン注入と同時に、リンをドーパントとする場合ウェハの温度が１５０℃以上になるように、ボロンをドーパントとする場合ウェハの温度が５０℃以上になるようにウェハを加熱することが望ましい。そうすれば、イオン注入中に導入される注入損傷を回復させて、チャネリングによる飛程の増加を維持することができるからである。注入損傷が積算していって、ある注入量を超えると、シリコンの結晶構造は、規則配列を持たずに、アモルファス層が形成されてしまう。このアモルファス層が形成されると、チャネリングが起こらないので飛程が小さくなる。飛程の増加維持のためにはアモルファス層形成の抑制が必要である。
【００４２】
以上説明したように、実施の形態によれば、通常のシリコンプロセスで用いられるリンをドーパントとしたフィールドストップ層３１を有するとともに、ＳｉＯ2中の固定電荷密度および界面電荷密度が小さく、キャリアの移動度が大きい良好なトレンチゲート構造を有するＦＳ−ＩＧＢＴが得られる。
【００４３】
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。例えば、半導体層および半導体領域の導電型を反転させた構成としてもよい。また、ドーパントとして、リンに限らず、ボロンなどを用いることもできる。さらに、本発明は、ＦＳ−ＩＧＢＴに限らず、トレンチゲート構造と深い拡散層の両方を有する半導体装置に適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
以上のように、本発明にかかる半導体装置の製造方法および半導体装置は、汎用インバータ、ＡＣサーボ、無停電電源（ＵＰＳ）またはスイッチング電源などの産業分野や、電子レンジ、炊飯器またはストロボなどの民生機器分野に用いられるＩＧＢＴ等の電力用半導体装置に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態にかかるトレンチゲート構造を有するＦＳ−ＩＧＢＴのフィールドストップ層の形成方法を説明するための断面図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかるトレンチゲート構造を有するＦＳ−ＩＧＢＴの構成を示す断面図である。
【図３】シリコンウェハの（１１０）面を＜１１０＞軸方向から見たときのシリコン格子を示す模式図である。
【図４】シリコンウェハの（１１０）面にＰ+をイオン注入したときのプロファイルの一例を示す図である。
【図５】シリコンウェハの（１００）面を＜１００＞軸方向から見たときのシリコン格子を示す模式図である。
【図６】シリコンウェハの（１００）面にＰ+をイオン注入したときのプロファイルの一例を示す図である。
【図７】トレンチゲート構造を有するＦＳ−ＩＧＢＴの構成を示す断面図である。
【図８】プレーナゲート構造を有するＦＳ−ＩＧＢＴの構成を示す断面図である。
【図９】プレーナゲート構造を有するＦＳ−ＩＧＢＴとＮＰＴ−ＩＧＢＴの要部の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
２３  トレンチ
２４  ゲート電極
２５  ゲート酸化膜
３１  フィールドストップ層（深い拡散層）
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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