(57)【要約】【課題】製造工程がシンプルであり，低コストで信頼性に優れた半導体装置の製造方法を提供すること。【解決手段】まず，Ｎ型ＭＣＺバルク基板１０を用意する。次に，基板１０の表面にマスク膜９１を形成し，ゲートトレンチ２１用のパターニングを行う。次に，ドライエッチングによりゲートトレンチ２１を形成する。このとき，エッチングガスにカーボンを含有するガスを混合させる。これにより，ゲートトレンチ２１の形成とともにそのゲートトレンチ２１の側壁にカーボンが導入される。次に，ゲートトレンチ２１の壁面に熱酸化処理によりゲート酸化膜２４を形成する。このゲート酸化膜２４の形成時に基板中の酸素がカーボンによって還元される。その後，ゲートトレンチ２１内のスペースに対し，ゲート材２２を堆積する。【選択図】            図６
2007150126.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＺ法（チョクラルスキー法）により作製されたシリコンウェハを基板とし，トレンチ構造を有する半導体装置の製造方法において，
前記基板の表面にトレンチ部用のマスク膜を形成するマスク膜形成工程と，
前記マスク膜の一部を除去し，トレンチ部のマスクパターンを形成するパターニング工程と，
前記マスクパターンを基に，ドライエッチングによりトレンチ部を形成するトレンチ部形成工程と，
前記トレンチ部の側壁に絶縁層を形成する絶縁層形成工程とを含み，
前記トレンチ部形成工程では，トレンチ部の形成とともにそのトレンチ部の側壁にカーボンを導入することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載する半導体装置の製造方法において，
前記トレンチ部形成工程では，トレンチ部の側壁に１．０×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2 〜５．０×１０14ａｔｏｍｓ／ｃｍ2 の範囲内のカーボンを導入することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載する半導体装置の製造方法において，
前記トレンチ部形成工程では，エッチングガスにカーボンを含有するガスを混合させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載する半導体装置の製造方法において，
前記マスク膜形成工程では，炭素含有量が１．０×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以上となる絶縁膜をマスク膜として形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１または請求項２に記載する半導体装置の製造方法において，
前記トレンチ部形成工程では，前記パターニング工程で前記マスク膜のパターニングに利用したレジストを残したままでドライエッチングを行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項１または請求項２に記載する半導体装置の製造方法において，
前記パターニング工程では，前記マスク膜上にレジストパターンを形成し，カーボンを含有するガスにてドライエッチングを行うことで前記マスク膜をパターニングし，前記トレンチ部形成工程によるドライエッチング前に前記マスク膜の側壁に付着する付着物を残したままレジストを除去することを特徴とする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，トレンチゲート構造やトレンチ素子分離構造を有する半導体装置の製造方法に関する。さらに詳細には，ＣＺ法によって製造されたシリコン基板にトレンチ構造を有する半導体デバイスを形成する半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から，パワーデバイス用の絶縁ゲート型半導体装置として，トレンチゲート構造を有するトレンチゲート型半導体装置が提案されている。このトレンチゲート型半導体装置では，一般的に高いゲート絶縁耐圧を確保するため，トレンチの側壁に沿って１００ｎｍ程度の厚さのゲート絶縁膜を形成する。このゲート絶縁膜は，通常，パイロ酸化あるいはドライ酸化等の熱酸化処理によって形成される。
【０００３】
ところで，トレンチゲート構造を有する半導体装置において，トレンチの側壁に絶縁膜として酸化膜が形成される。このような半導体装置では，この酸化膜とトレンチの側壁（すなわちシリコン基板）との界面が清浄でなければ，閾値の変動や耐圧の低下などの性能劣化を引き起こす。そのため，半導体装置の信頼性を損なう結果となる。
【０００４】
界面の清浄性を損なう要因としては，主として次の２つがある。１つめの要因は，シリコン基板中の酸素析出物である。この酸素析出物は，ゲート絶縁膜中のウィークスポットとなり，ゲート絶縁耐圧の低下を引き起こす。また，トレンチの側壁近傍に存在する酸素析出物のゲート絶縁膜内部への取り込み率は，ゲート絶縁膜の膜厚を厚するほど増大する。そのため，高耐圧化の足かせになる。
【０００５】
この酸素析出物の問題を解決する半導体基板には，ＦＺ法（Floating Zone method：以下，ＦＺ法により製造されたウェハを「ＦＺウェハ」とする）によって製造されたウェハがある。ＦＺウェハは，製造工程において石英るつぼを使用しないため，その酸素濃度が１．０×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以下と非常に低い。
【０００６】
また，ＣＺ法（CZochralski method：以下，ＣＺ法により製造されたウェハを「ＣＺウェハ」とする）によって製造されたウェハは，酸素濃度が１．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以上であるため，ゲート絶縁膜を熱酸化処理によって形成すると多くの酸素析出物を取り込んでしまう。そこで，ＣＺウェハを使用する際には，シリコン基板の表面上に所望の厚さのエピタキシャル層を形成し，低酸素濃度領域を確保する。
【０００７】
２つめの要因は，ドライエッチング法にてトレンチを形成する際，トレンチの側壁に生じる結晶欠陥である。欠陥が生じている界面は大気中でも酸化し易い状態にある。そのため，ゲート酸化膜の形成前にトレンチの側壁の一部が酸化されてしまう。そして，ゲート酸化膜の形成時にその酸化物を取り込み，不均一なゲート酸化膜が形成される。従って，閾値の変動やゲート絶縁耐圧の低下を引き起こす。
【０００８】
このトレンチの側壁の欠陥の問題を解決する方法としては，ドライエッチング後のトレンチの側壁を意図的に酸化し，その酸化物（犠牲酸化膜）をウェットエッチングして除去する方法や，プラズマ化した反応性ガスを利用して基板を等方的にエッチングして欠陥そのものを低減する方法（ＣＤＥ法：Chemical Dry Etching）が知られている。
【０００９】
すなわち，１つめの要因では，シリコン基板にはじめから内在する酸素が問題となり，２つめの要因では，結晶欠陥に取り込まれる酸素が問題となる。つまり，両要因ともシリコン基板の界面の酸素が問題となる。そして，シリコン基板に内在する酸素析出物の問題に対しては，あらかじめウェハ中の酸素濃度が少ないものの利用や，低欠陥領域を形成する工程の追加によって対応している。また，トレンチの側壁欠陥から取り込まれる酸素の問題に対しては，トレンチの側壁欠陥を除去する工程の追加や，あらかじめトレンチの側壁欠陥が発生し難い専用装置の利用によって対応している。
【００１０】
また，トレンチの側壁にＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法による酸化膜を形成する際に生じる半導体装置の信頼性の低下を抑制するため，イオン注入によってカーボンやボロンをトレンチの側壁に注入する方法が開示されている（例えば，特許文献１，特許文献２）。
【特許文献１】特開平１０−９８０９８号公報
【特許文献２】特開２００４−３１９５７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら，前記した従来の技術には次のような問題があった。すなわち，ＦＺウェハは，機械的強度が低く，ウェハの割れやスリップが発生しやすいという問題がある。また，パワーデバイス用の半導体素子を製造する上で，ウェハサイズの大口径化が要請される。しかしながら，ＣＺウェハでは直径が約２００ｍｍのウェハが一般的であるのに対し，ＦＺウェハでは直径が約１５０ｍｍのウェハが主流である。また，ＦＺウェハは，ＣＳウェハと比較して，生産のスループットが低く，ウェハそのものが非常に高価である。
【００１２】
また，ＣＺウェハでは，ＦＺウェハと比較して，機械的強度の向上およびウェハサイズの大口径化を図ることができる。しかしながら，ＣＺウェハでは，高酸素濃度のウェハ上にエピタキシャル成長による低欠陥領域（エピタキシャル層）を形成する必要がある。そのため，製造工程が複雑であり，結果として生産のスループットの低下やコストアップの要因となっている。
【００１３】
また，犠牲酸化膜による方法では，酸化膜を形成し，さらにその酸化膜を除去することから，エピタキシャル層の形成と同様に工程数が非常に多くなる。そのため，結果として生産のスループットの低下やコストアップの要因となっている。さらに，酸化膜を形成することから，シリコン基板に多くの熱履歴を与えてしまう。
【００１４】
また，ＣＤＥ法では，専用の設備を必要とすることから，イニシャルコストが高く，ウェハを取り出す手間がかかる。さらに，アスペクト比が高いトレンチを形成すると，開口部と底部とで反応性ガスの供給率に差が生じる。そのため，結果としてトレンチ形状を変動させ，信頼性を低下させる。
【００１５】
また，特許文献２や特許文献３のようにイオン注入によってカーボン等をトレンチの側壁に導入しようとすると，次のような問題が生じる。すなわち，トレンチの側壁に導入するためには，斜め方向にイオン注入する必要がある。しかし実際には，図１８（ａ）に示すように，トレンチの側壁にて多くのカーボンが反射してしまい，一部のカーボンしか側壁に導入されない。そして，反射したカーボンは，図１８（ｂ）に示すように，反射を繰り返してトレンチの底部に導入される。従って，トレンチの側壁および底部に均一にカーボンを導入することが困難である。特に，トレンチのアスペクト比が大きくなると，注入角度θ（図１８（ａ）参照）を小さくする必要があるが，注入角度θが小さくなるほどカーボンは反射し易くなる（例えば，注入角度θが３度以下では殆ど反射してしまう）。そのため，アスペクト比が大きいトレンチほど，カーボンの導入むらが大きい。
【００１６】
また，特許文献３では，トレンチの側壁をＳｉＣ化し，ＳｉとＳｉＣとのバンドギャップ差を利用している。そのため，ＳｉＣ化するために十分な量のカーボン（１．０×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ2 以上）が必要となる。また，トレンチの側壁がＳｉＣ化した場合には，ゲートの閾値を下げることが困難になり，トレンチをゲートとして利用するトレンチゲート型半導体装置への適用が困難である。
【００１７】
本発明は，前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，製造工程がシンプルであり，低コストで信頼性に優れた半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
この課題の解決を目的としてなされた半導体装置の製造方法では，ＣＺ法（チョクラルスキー法）により作製されたシリコンウェハを基板とし，トレンチ構造を有する半導体装置の製造方法であって，基板の表面にトレンチ部用のマスク膜を形成するマスク膜形成工程と，マスク膜の一部を除去し，トレンチ部のマスクパターンを形成するパターニング工程と，マスクパターンを基に，ドライエッチングによりトレンチ部を形成するトレンチ部形成工程と，トレンチ部の側壁に絶縁層を形成する絶縁層形成工程とを含み，トレンチ部形成工程では，トレンチ部の形成とともにそのトレンチ部の側壁にカーボンを導入することを特徴としている。
【００１９】
すなわち，本発明の絶縁ゲート型半導体装置の製造方法では，ＣＺ法により作製されたウェハ（例えば，ＭＣＺウェハ）上にトレンチ構造を有する半導体装置を作製する。この半導体装置のトレンチ部は，基板表面上に形成されたマスクパターンを基にドライエッチング法によって形成される。本発明では，トレンチ部形成工程において，トレンチ部の形成とともにそのトレンチ部の側壁にカーボンを導入する。すなわち，ドライエッチング処理により，シリコンの露出面から所定の深さまでの領域（以下，「界面領域」とする。例えば，シリコン露出面からの距離が１００ｎｍ以内の領域）内にカーボンが導入される。
【００２０】
そして，その後の絶縁層形成工程での絶縁層（例えば，ゲート絶縁膜）の形成時に，そのカーボンが界面領域内に存在する酸素析出物（ＳｉＯX ）を還元する。これにより，露出面近傍の酸素が半導体基板外に外方拡散され，ゲート絶縁膜の特性に悪影響を与える酸素が減少する。
【００２１】
また，本発明の製造方法では，犠牲酸化膜の形成除去等の欠陥除去のための工程が不要である。すなわち，トレンチ部の側壁にカーボンを導入することにより，そのカーボンがシリコン露出面の酸化に供する大気中の酸素と反応する。そのため，トレンチ部の酸化が抑制される。よって，欠陥除去のための工程がなくとも均一なゲート酸化膜を形成することができる。つまり，製造プロセスがシンプルである。
【００２２】
また，トレンチ部へのカーボンの導入をドライエッチングとともに行うと，トレンチ部の側壁および底部に均一にカーボンを導入することができる。すなわち，ドライエッチング中のイオンスパッタリングによってカーボンを導入するため，トレンチの形状に沿って均一にカーボンが導入される。
【００２３】
また，本発明の製造方法では，ＣＺ法により作製された半導体ウェハ（以下，ＣＺ法により製造されたウェハを「ＣＺウェハ」）を出発基板としている。そのため，ＦＺウェハと比較して，大口径であって機械的強度が高い。また，ＣＺウェハは，確かに高酸素濃度であるがゆえに酸素析出物が生じ易い。しかしながら本発明のように，酸素析出物の還元処理を行うことによってゲート絶縁膜が形成される部位に存在する酸素を外方拡散させている。これにより，ゲート絶縁膜が形成される部位に低欠陥領域を形成している。そのため，基板全体で見ると高酸素濃度であるが，ゲート絶縁膜の近傍は低酸素濃度である。従って，酸素析出物のゲート絶縁膜内部への取り込み率は小さく，本発明の製造方法にて製造される絶縁ゲート型半導体装置の電気的特性は良好となる。
【００２４】
さらに，ＣＺウェハは，ＦＺウェハと比べて非常に安価である。また，本発明では，ＣＺウェハであってもエピタキシャル層を形成する必要がない。そのため，製造される絶縁ゲート型半導体装置のコストダウンを図ることができる。
【００２５】
なお，本発明中の「ＣＺ法により作製された半導体ウェハ」には，ＭＣＺ法により作製された半導体ウェハを含意するものとする。
【００２６】
本発明のトレンチ部形成工程では，トレンチ部の側壁に１．０×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2 〜５．０×１０14ａｔｏｍｓ／ｃｍ2 の範囲内のカーボンを導入する。導入されるカーボンの量が上記の範囲内であれば，十分に基板中の酸素を還元することができる。また，トレンチ部の壁面がＳｉＣ化することはない。よって，ＳｉＣ化による閾値の変動は生じない。
【００２７】
また，本発明のトレンチ部形成工程では，エッチングガスにカーボンを含有するガスを混合させることとするとよりよい。すなわち，エッチングガスに積極的にカーボンを混合させる。これにより，ドライエッチングとともにカーボンを導入することができる。さらに，カーボン含有ガスの流量を調節することでトレンチ部に導入されるカーボンの量を調節することができる。よって，カーボンの供給量の調節が容易である。なお，カーボンを含有するガスとしては，例えばＣＦ4 ，ＣＨＦ3 ，Ｃ6Ｆ8 ，ＣＨ2Ｆ2 ，ＣＯ等が適用可能である。
【００２８】
また，本発明のマスク膜形成工程では，炭素含有量が１．０×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以上となる絶縁膜をマスク膜として形成することとするとよりよい。すなわち，ドライエッチング時にそのマスク膜も削り，その削られたマスク膜からカーボンを得る。これにより，ドライエッチングとともにカーボンを導入することができる。また，カーボンの供給源がウェハ表面であってトレンチ部に近い。そのため，少量のカーボンを効率良くトレンチ部の側壁に導入できる。そのため，エッチングガスにカーボンを積極的に混合しなくもよく，カーボンを積極的に混合するものと比較して加工精度が高い。炭素含有量が所望の値となるマスク膜としては，例えばＳｉ（ＯＣ2 Ｈ5 ）4 （テトラエトシキシラン，略称「ＴＥＯＳ」）を原料とするＣＶＤ膜が適用可能である。
【００２９】
また，本発明のトレンチ部形成工程では，パターニング工程でマスク膜のパターニングに利用したレジストを残したままでドライエッチングを行うこととするとよりよい。すなわち，ドライエッチング時にレジストも削り，その削れらたレジストからカーボンを得る。これにより，ドライエッチングとともにカーボンを導入することができる。さらに，エッチングガスにカーボンを積極的に混合せずにトレンチを形成していないため，カーボンを積極的に混合するものと比較して加工精度が高い。また，通常，削除しているレジストをそのまま使用していることから，工程数も削減される。
【００３０】
また，本発明のパターニング工程では，マスク膜上にレジストパターンを形成し，カーボンを含有するガスにてドライエッチングを行うことでマスク膜をパターニングし，トレンチ部形成工程によるドライエッチング前にマスク膜の側壁に付着する付着物を残したままレジストを除去することとするとよりよい。すなわち，マスク膜のドライエッチング時にはカーボンを含有する副生成物がマスク膜の壁面に付着する。この副生成物（付着物）は，通常，レジストを除去する際に除去されるが，本発明ではそのまま残しておく。そして，ドライエッチング時にその付着物を削り，その削られた付着物からカーボンを得る。これにより，ドライエッチングとともにカーボンを導入することができる。さらに，エッチングガスにカーボンを積極的に混合せずにトレンチを形成していないため，カーボンを積極的に混合するものと比較して加工精度が高い。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば，ドライエッチングの際にトレンチ部にカーボンを導入することで，ゲート絶縁膜が形成される際に界面領域の酸素を外方拡散させている。また，ゲート酸化膜を形成する前の自然酸化を抑制している。そのため，ゲート絶縁膜の良品率，耐圧，信頼性等が確保されている。また，ドライエッチングによる欠陥の除去工程が不要である。また，ＣＺウェハを出発基板としていることから，ＦＺウェハ等と比較して材料費が安い。従って，製造工程がシンプルであり，低コストで信頼性に優れた半導体装置の製造方法が実現されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下，本発明を具体化した実施の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。なお，本実施の形態は，ゲート電極への電圧印加によりコレクタ−エミッタ間の導通をコントロールするトレンチゲート型ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）に本発明を適用したものである。
【００３３】
実施の形態に係る半導体装置１００は，図１の断面図に示す構造を有している。半導体装置１００では，半導体基板の上面側に，Ｎ+ エミッタ領域３１が設けられている。一方，下面側にはＰ+ コレクタ領域１１が設けられている。それらの間には上面側から順に，Ｐ- ベース領域４１およびＮ- ドリフト領域１２が設けられている。また，半導体基板の上面側の一部を掘り込むことによりＮ+ エミッタ領域３１およびＰ- ベース領域４１を貫通するゲートトレンチ２１が形成されている。
【００３４】
また，ゲートトレンチ２１の内部には，多結晶シリコンのゲート電極２２が形成されている。そして，ゲート電極２２は，ゲートトレンチ２１の壁面に形成されているゲート絶縁膜２４を介して，Ｎ+ エミッタ領域３１およびＰ- ベース領域４１と対面している。すなわちゲート電極２２は，ゲート絶縁膜２４によりＮ+ エミッタ領域３１およびＰ- ベース領域４１から絶縁されている。ゲート絶縁膜２４は，熱酸化処理やＣＶＤ法によって形成された絶縁膜であり，その厚さはおよそ１００ｎｍである。この他，半導体基板上には，層間絶縁膜５１，Ａｌ電極５２，パッシベーション保護膜５３等が形成されている。
【００３５】
このような構造を持つ半導体装置１００では，ゲート電極２２への電圧印加によりＰ- ベース領域４１にチャネル効果を生じさせ，もってＮ+ エミッタ領域３１とＰ+ コレクタ領域１１との間の導通をコントロールしている。
【００３６】
続いて，半導体装置１００の製造プロセスについて説明する。本形態の製造プロセスでは，直径がおよそ２００ｍｍのＮ型のＭＣＺバルク基板１０を出発材とする。ＭＣＺバルク基板１０の比抵抗は，およそ５０Ωｃｍである。また，ＭＣＺバルク基板１０中の酸素濃度は，およそ８．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 である。
【００３７】
さらに，その出発材に対してイオン注入や熱拡散処理等を行うことにより，Ｐ- 拡散層４１およびＮ+ 拡散層３１を形成しておく（図２）。Ｐ- 拡散層４１は図１中のＰ- ベース領域４１となる領域であり，Ｎ+ 拡散層３１は図１中のＮ+ エミッタ領域３１となる領域である。このとき，ＭＣＺバルク基板１０中に不純物として存在する格子間酸素は，熱処理によりＳｉＯ2 あるいはＳｉＯX として析出する。すなわち，ＭＣＺバルク基板１０に酸素析出欠陥が生じる。具体的には，ＭＣＺバルク基板１０中に，１．０×１０6 ／ｃｍ3 〜１．０×１０8 ／ｃｍ3 の範囲内で酸素析出物が発生する。
【００３８】
次に，ドライエッチング法によってゲートトレンチ２１を形成する。以下，このゲートトレンチ２１の形成工程以降の工程を幾つかのパターンに分けて詳細に説明する。なお，本実施の形態では，トレンチゲート構造を形成するにあたってカーボンを積極的に利用することを要点としている。具体的には，エッチングガスにカーボンを主成分とするガスを混載させる方法（第１の形態）と，トレンチ形成用のマスク材にカーボンを含有させる方法（第２の形態）と，トレンチ形成用のマスク材の加工時に生じた副生物を利用する方法（第３の形態）との３つの製造方法を説明する。
【００３９】
［第１の形態］
第１の形態では，エッチングガスにカーボンを主成分とするガスを混載させることを特徴としている。第１の形態では，まず，トレンチゲート２１を形成する前に，ＣＶＤ法により半導体基板上にシリコン酸化膜のマスク膜９１を形成する（図３）。さらに，マスク膜９１上にレジスト９５を形成し，既知のリソグラフィー法によりそのレジスト９５をパターニングする。そして，そのレジストパターン９５を基に，ドライエッチングによりマスク膜９１にゲートパターンを転写する（図４）。ゲートパターンの転写後，不要なレジスト９５は除去する。
【００４０】
次に，ドライエッチング法にてシリコン基板を掘り下げるための準備として，エッチングガスとカーボンを含有するガスとの混合ガスがチャンバ内に導入される（図５）。エッチングガスとしては，ＳＦ6 ，ＨＢｒ，Ｃｌ2 ，ＳｉＦ4 ，ＮＦ3 ，Ｏ2 等が適用可能である。また，カーボンを含有するガスとしては，ＣＦ4 ，ＣＨＦ3 ，Ｃ6Ｆ8 ，ＣＨ2Ｆ2 ，ＣＯ等が適用可能である。
【００４１】
次に，ドライエッチング法にてシリコン基板を掘り下げる（図６）。このドライエッチング工程により，Ｎ+ 拡散層３１およびＰ- 拡散層４１を貫通してその底部がＮ- 層１２にまで到達するゲートトレンチ２１が形成される。ゲートトレンチ２１は，ウェハ表面からの深さが５．５μｍであり，開口部の幅が０．５μｍである。
【００４２】
このゲートトレンチ２１の加工時には，ゲートトレンチ２１の側壁に混合ガス中のカーボンが導入される。すなわち，ゲートトレンチ２１の側壁は，欠陥が生じていることから混合ガス中のカーボンが入り易い状態になっている。そこで，このドライエッチング工程では，ゲートトレンチ２１の側壁に１．０×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2 〜５．０×１０14ａｔｏｍｓ／ｃｍ2 のカーボンが導入されるようにエッチングの条件（カーボン含有ガスの流量等）を調節する。
【００４３】
また，本工程では，ゲートトレンチ２１へのカーボンの導入をドライエッチングとともに行う。そのため，図１７に示すように，ゲートトレンチ２１の側壁および底部に均一にカーボンが導入される。すなわち，ドライエッチング中のイオンスパッタリングによってカーボンを導入するため，トレンチの形状に沿って均一にカーボンが導入される。さらに，トレンチの側壁には反応性生物９９が付着していく。この反応性生物９９によってカーボンの余剰な導入が抑制される。従って，ゲートトレンチ２１の側壁および底部へのカーボン導入量が均一になる。
【００４４】
なお，導入されるカーボンが１．０×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2 よりも少ないと，後述する酸素の還元効果が少ない。一方，５．０×１０14ａｔｏｍｓ／ｃｍ2 よりも多いと，ゲートトレンチ２１の側壁がＳｉＣ化し，ゲートの閾値が変動するおそれがある。そのため，導入されるカーボンの量は，１．０×１０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2 〜５．０×１０14ａｔｏｍｓ／ｃｍ2 の範囲内であることが望ましい。
【００４５】
このゲートトレンチ２１の側壁に導入されたカーボンは，ドライエッチングによって生じた欠陥部分に入り込む大気中の酸素と反応する。そのため，ゲート酸化膜２４を形成するまでの間の，欠陥部分の酸化が抑制される。
【００４６】
次に，レジスト９１を除去した後，酸素雰囲気中，１１００℃の温度で１時間の熱酸化処理により，半導体基板の上面およびゲートトレンチ２１の側壁に酸化膜２４を形成する（図７）。これがゲート絶縁膜２４となる。この熱酸化処理の際，ゲートトレンチ２１の側壁に導入されたカーボンが熱エネルギーを受けて酸素を還元（ＳｉＯX ＋Ｃ→  Ｓｉ＋ＣＯ↑）する。これにより，半導体基板内の酸素が半導体基板外に外方拡散され，界面の酸素濃度が減少する。
【００４７】
その後，ゲートトレンチ２１内のスペースに対し，ゲート材２２を堆積する（図８）。具体的にゲート材２２の成膜条件としては，例えば反応ガスをＳｉＨ4 を含む混合ガスとし，成膜温度を５８０℃〜６４０℃とし，減圧ＣＶＤ法によって８００ｎｍ程度の膜厚のポリシリコン膜を形成する。このポリシリコン膜がゲート電極２２となる。なお，ゲート電極２２を形成する方法としては，Ｐ，Ｂ等の不純物を含むドープドポリシリコンを直接ゲートトレンチ２１内に堆積する方法の他，一旦高抵抗のノンドープポリシリコンを堆積させた後にその絶縁層に対して不純物を拡散させる方法がある。
【００４８】
その後，基板裏面に対してイオン注入や熱拡散処理等を行うことにより，Ｐ+ 拡散層１１が形成される（図９）。Ｐ+ 拡散層１１は，図１中のＰ+ コレクタ領域１１となる領域である。最後に，層間絶縁膜５１，Ａｌ電極５２，パッシベーション保護膜５３等を形成することにより，図１に示したような半導体装置１００が作製される。
【００４９】
［第２の形態］
第２の形態では，トレンチ形成時のマスク材にカーボンを含有させることを特徴としている。第２の形態では，まず，ＣＶＤ法により，半導体基板上にカーボンを含有する酸化膜９２を形成する（図１０）。例えば，材料ガスとして，炭素系有機物からなるＳｉ（ＯＣ2 Ｈ5 ）4 （テトラエトシキシラン，略称「ＴＥＯＳ」），あるいはＳｉ（ＯＣＨ3 ）4 （テトラメトシキシラン）を用いた減圧ＣＶＤ法を適用する。また，成膜条件は，成膜温度を７００℃，成膜圧力６０Ｐａ，ガスの流量を１５０ｓｃｃｍとする。酸化膜９２は，１．０×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以上のカーボンを含有する。
【００５０】
この酸化膜９２は，トレンチゲート２１を形成するためのマスク材として使用する。そのため，酸化膜９２上にレジストを形成し，既知のリソグラフィー法によりレジストをパターニングする。そして，ドライエッチングにより酸化膜９２にゲートパターンを転写する（図１１）。ゲートパターンの転写後，不要なレジストは除去する。
【００５１】
次に，ドライエッチング法にてシリコン基板を掘り下げる（図１２）。このドライエッチング工程により，Ｎ+ 拡散層３１およびＰ- 拡散層４１を貫通してその底部がＮ- 層１２にまで到達するゲートトレンチ２１を形成する。エッチングガスとしては，ＳＦ6 ，ＨＢｒ，Ｃｌ2 ，ＳｉＦ4 ，ＮＦ3 ，Ｏ2 等が適用可能である。本形態では，第１の形態と異なり，カーボン含有ガスを混合しなくてもよい。
【００５２】
ドライエッチング工程では，マスク材となる酸化膜９２の表面も徐々に削れられる。そのため，酸化膜９２中のカーボンが取り出され，そのカーボンがゲートトレンチ２１の側壁に取り込まれる。ゲートトレンチ２１の側壁に導入されたカーボンは，ドライエッチングによって生じた欠陥部分に入り込む大気中の酸素と反応し，欠陥部分の酸化を抑制する。
【００５３】
次に，酸素雰囲気中，１１００℃の温度で１時間の熱酸化処理により，半導体基板の上面およびゲートトレンチ２１の側壁に酸化膜２４を形成する（図７）。これがゲート絶縁膜２４となる。この熱酸化処理の際，酸化膜９２から取り出されてゲートトレンチ２１の側壁に導入されたカーボンが熱エネルギーを受けて酸素を還元する。これにより，半導体基板内の酸素が半導体基板外に外方拡散され，界面の酸素濃度が減少する。
【００５４】
その後，第１の形態と同様に，ゲート材の堆積（図８），裏面の形成（図９）を行う。最後に，層間絶縁膜５１，Ａｌ電極５２，パッシベーション保護膜５３等を形成することにより，第１の形態と同様に図１に示したような半導体装置１００が作製される。
【００５５】
なお，カーボンを含有するマスク材としては，カーボンを主成分とするフォトレジストを利用することもできる。フォトレジストを利用する場合には，マスク材となる酸化膜９２にカーボンが含有されていなくてもよく，例えばゲートパターンの転写後，レジストを除去せずにそのまま残しておく。フォトレジストであれば，より少ない工程で本形態を実現することができる。
【００５６】
［第３の形態］
第３の形態では，トレンチ形成時のマスク材の加工時に生じた副生物を利用することを特徴としている。第３の形態では，まず，トレンチゲート２１を形成する前に，ＣＶＤ法により半導体基板上にシリコン酸化膜のマスク膜９１を形成する（図３）。
【００５７】
次に，マスク膜９１上にレジストを形成し，既知のリソグラフィー法によりレジストをパターニングする。そして，ドライエッチングによりマスク膜９１にゲートパターンを転写する。このマスク膜９１のドライエッチング工程では，エッチングガスとして，ＣＦ4 ，ＣＨＦ3 ，Ｃ4 Ｆ8 ，Ｃ2 Ｆ6 ，Ｃ3 Ｆ8 ，Ｃ5 Ｆ8 ，Ｃ4 Ｆ6 ，ＣＨ2 Ｆ2 ，ＣＨ3 Ｆ等のＣｘＦｙガスを適用する。
【００５８】
このＣｘＦｙガスは，プラズマ中で分解され，Ｃ−Ｆ系のポリマーとなって，マスク膜９１の表面に付着する。その後，プラズマ中のイオンが付着面に衝突する際のエネルギーによって，付着したポリマーとマスク膜９１とが反応し，エッチングが進行する。このとき，イオンの衝突は，エッチング装置内の電界によって，マスク膜９１の表面に対して垂直方向に制御されており，ポリマーがマスク膜９１の側壁に堆積する。すなわち，図１３に示すように，カーボンを主成分とする副生成物９３（Ｃ−Ｆ系のポリマー）がマスク膜９１の側壁に付着する。例えば，圧力を２６Ｐａ，電力を１０００Ｗ，ＣＦ4 ／ＣＨＦ3 ／Ａｒのそれぞれの流量を４５／５／３００ｓｃｃｍとすると，厚さが１〜２ｎｍ程度の副生成物９３が堆積する。
【００５９】
ゲートパターンの転写後，不要なレジストは除去する。このとき，レジストの除去条件を垂直方向のみにコントロールし，マスク膜９１の側壁に付着した副生成物９３を意図的に残す。これにより，図１３に示したような，副生成物９３が残った状態のゲートパターンが形成される。
【００６０】
次に，ドライエッチング法にてシリコン基板を掘り下げる（図６）。このドライエッチング工程により，Ｎ+ 拡散層３１およびＰ- 拡散層４１を貫通してその底部がＮ- 層１２にまで到達するゲートトレンチ２１を形成する。エッチングガスとしては，ＳＦ6 ，ＳｉＦ4 ，ＨＢｒ，Ｃｌ2 ，ＮＦ3 ，Ｏ2 等が適用可能である。本形態では，第１の形態と異なり，カーボン含有ガスを混合しなくてもよい。
【００６１】
このシリコン基板のエッチング工程では，マスク膜９１の側壁に付着した副生成物９３も削れられる。そのため，副生成物９３中のカーボンが取り出され，そのカーボンがゲートトレンチ２１の側壁に取り込まれる。ゲートトレンチ２１の側壁に導入されたカーボンは，ドライエッチングによって生じた欠陥部分に入り込む大気中の酸素と反応し，欠陥部分の酸化を抑制する。
【００６２】
次に，酸素雰囲気中，１１００℃の温度で１時間の熱酸化処理により，半導体基板の上面およびゲートトレンチ２１の側壁に酸化膜２４を形成する（図７）。これがゲート絶縁膜２４となる。この熱酸化処理の際，副生成物９３から取り出されてゲートトレンチ２１の側壁に導入されたカーボンが熱エネルギーを受けて酸素を還元する。これにより，半導体基板内の酸素が半導体基板外に外方拡散され，界面の酸素濃度が減少する。
【００６３】
その後，第１の形態と同様に，ゲート材の堆積（図８），裏面の形成（図９）を行う。最後に，層間絶縁膜５１，Ａｌ電極５２，パッシベーション保護膜５３等を形成することにより，第１の形態と同様に図１に示したような半導体装置１００が作製される。
【００６４】
［半導体装置の評価］
続いて，カーボンを利用した半導体装置（第１の形態）と，カーボンを利用していない半導体装置（エピタキシャル層なしのＣＺ基板で犠牲酸化処理を行わないもの，エピタキシャル層なしのＣＺ基板で犠牲酸化処理を行ったもの）とについて，各半導体装置のゲート絶縁耐圧を調査した結果について述べる。各半導体装置のゲート絶縁膜の膜厚は１００ｎｍである。
【００６５】
図１４は，ゲートトレンチの側壁にカーボンが導入された半導体装置におけるゲート絶縁耐圧の分布を示している。図１５は，エピタキシャル層なしのＣＺ基板で犠牲酸化処理を行わない半導体装置におけるゲート絶縁耐圧の分布を示している。また，図１６は，エピタキシャル層なしのＣＺ基板で犠牲酸化処理を行った半導体装置におけるゲート絶縁耐圧の分布を示している。
【００６６】
図１４に示すように，ゲートトレンチの形成時にカーボンが導入された半導体装置では，殆どの半導体装置（９５％以上）の耐圧が６５Ｖ以上であり，絶縁膜の完全破壊電圧が高いことがわかる。また，耐圧が６８Ｖ〜７３Ｖの範囲内に集中しており，偶発故障頻度が低いことがわかる。これは，カーボンの導入により，ゲート絶縁膜の近傍が低酸素濃度領域となっているためと考えられる。さらには，ゲート絶縁膜を形成するまでの自然酸化を低減したためと考えられる。
【００６７】
一方，図１５に示すように，カーボンが導入されず，犠牲酸化処理も行われていない半導体装置では，殆どの半導体装置（９５％以上）の耐圧が６０Ｖ以下であり，絶縁膜の完全破壊電圧が低いことがわかる。また，耐圧が５５Ｖ以下の半導体装置も散見され，偶発故障頻度が高いことがわかる。このことから，カーボンの導入によって電気的特性が著しく向上したことがわかる。
【００６８】
また，図１６に示すように，カーボンを導入せず，犠牲酸化処理を行う半導体装置では，殆どの半導体装置（９５％以上）の耐圧が６０Ｖ以上であり，犠牲酸化処理を行わないものと比較して絶縁膜の完全破壊電圧が高いことがわかる。しかし，この半導体装置の耐圧は，６５Ｖ以上は６５％であり，カーボンを導入した半導体装置の耐圧は，６５Ｖ以上が９５％である。このことから，カーボンの導入によって耐圧が向上することがわかる。また，この半導体装置では，耐圧が５５Ｖ以下の半導体装置も散見され，偶発故障頻度が高いことがわかる。このことから，犠牲酸化処理では，偶発的故障頻度が改善されないことがわかる。
【００６９】
以上詳細に説明したように第１の形態の製造方法では，エッチングガスにカーボンを含有させ，ゲートトレンチ２１の形成とともにカーボンをゲートトレンチ２１の側壁に導入することとしている。このカーボンにより，ゲートトレンチ２１の壁面近傍（界面領域）に酸素析出物として存在する酸素が還元され，半導体基板外に外方拡散される。そのため，界面領域内の酸素析出欠陥が減少する。その結果として，ゲートトレンチ２１の界面が清浄になる。そして，ゲート絶縁膜２４は低酸素濃度の領域上に形成されるため，その特性は良好である。
【００７０】
また，ゲートトレンチ２１の側壁にカーボンを導入することにより，そのカーボンが界面の欠陥部分から取り込まれる大気中の酸素と反応する。そのため，界面の欠陥によって生じるゲートトレンチ２１の酸化が抑制される。よって，犠牲酸化膜による欠陥除去を行わなくとも均一で良好なゲート酸化膜２４を形成することができる。従って，製造工程がシンプルである。
【００７１】
また，ゲートトレンチ２１へのカーボンの導入をドライエッチングとともに行うことにより，ゲートトレンチ２１の側壁および底部に均一にカーボンを導入することができる。すなわち，ドライエッチング中のイオンスパッタリングによってカーボンを導入するため，トレンチの形状に沿って均一にカーボンが導入される（図１７参照）。なお，トレンチの側壁には反応性生物が付着していく。この反応性生物によってカーボンの余剰な導入が抑制される。
【００７２】
また，第１の形態では，エッチングガスに積極的にカーボンを混合させることとしている。そのため，カーボン含有ガスの流量を調節することでトレンチ部に導入されるカーボンの量を調節することができる。よって，ゲートトレンチ２１の側壁に導入されるカーボンの供給量の調節が容易である。
【００７３】
また，第２の形態では，炭素含有量が１．０×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以上となるＴＥＯＳ膜をマスク膜９２として形成することとしている。そのため，ドライエッチング時にそのマスク膜９２も削り，その削られたマスク膜９２からカーボンを得ることができる。また，カーボンがウェハ表面のマスク膜９２から供給されるため，カーボンの供給源とゲートトレンチ２１との距離が近い。そのため，少量のカーボンであっても効率良くゲートトレンチ２１の側壁に導入することができる。そのため，エッチングガス中に少なくとも３％のカーボンを添加してチャンバ内に均一にカーボンを拡散させる必要がある第１の形態と比較して加工精度が高い。
【００７４】
また，第３の形態では，マスク９１膜上にレジストパターンを形成し，カーボンを含有するガスにてドライエッチングを行うことでマスク膜をパターニングすることとしている。そして，ゲートトレンチ２１のドライエッチング前にマスク膜９１の側壁に付着する副生成物９３を残したままレジスト９５を除去することとしている。そのため，ドライエッチング時にその副生成物９３を削り，その削られた付着物からカーボンを得ることができる。また，エッチングガスにカーボンを積極的に混合せずにゲートトレンチ２１が形成される。よって，カーボンを積極的に混合する第１の形態と比較して加工精度が高い。
【００７５】
また，実施の形態（第１の形態，第２の形態および第３の形態）の製造方法では，ＭＣＺバルク基板を出発基板としている。そのため，ＦＺウェハと比較して，大口径であって機械的強度が高い。さらに，ＦＺウェハやエピタキシャル層が形成されたＭＣＺウェハと比較して安価である。よって，製造工程がシンプルであり，低コストで信頼性に優れた半導体装置の製造方法が実現している。
【００７６】
なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，各半導体領域については，Ｐ型とＮ型とを入れ替えてもよい。また，ゲート絶縁膜２４については，酸化膜に限らず，窒化膜等の他の種類の絶縁膜でもよいし，複合膜でもよい。
【００７７】
また，本実施の形態では，出発材となるＭＣＺバルク基板の酸素濃度を８．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 としているが，これに限るものではない。例えば，酸素濃度が固溶限界濃度（１．５×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 ）であってもよい。
【００７８】
また，トレンチの側壁にカーボンを含有させる方法は，実施の形態の例に限るものではない。例えば，トレンチを形成するためのドライエッチング設備内にカーボンを含有する部材を配置してもよい。この場合，カーボンを確実にトレンチ内に導入するには，図１９に示すようにカーボン含有部材９６をウェハ１０の上方に配置する。カーボン含有部材９６としては，例えばＳｉＣやポリイミドが適当である。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】実施の形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。
【図２】第１の形態に係る半導体装置の製造工程（不純物領域形成）を示す図である。
【図３】第１の形態に係る半導体装置の製造工程（ゲートトレンチ用のマスク材形成）を示す図である。
【図４】第１の形態に係る半導体装置の製造工程（ゲートトレンチ用のマスク材加工）を示す図である。
【図５】第１の形態に係る半導体装置の製造工程（エッチングガス導入）を示す図である。
【図６】第１の形態に係る半導体装置の製造工程（ゲートトレンチ形成）を示す図である。
【図７】第１の形態に係る半導体装置の製造工程（ゲート酸化膜形成）を示す図である。
【図８】第１の形態に係る半導体装置の製造工程（ゲート電極形成）を示す図である。
【図９】第１の形態に係る半導体装置の製造工程（半導体装置形成）を示す図である。
【図１０】第２の形態に係る半導体装置の製造工程（ゲートトレンチ用のマスク材形成）を示す図である。
【図１１】第２の形態に係る半導体装置の製造工程（ゲートトレンチ用のマスク材加工）を示す図である。
【図１２】第２の形態に係る半導体装置の製造工程（ゲートトレンチ形成）を示す図である。
【図１３】第３の形態に係る半導体装置の製造工程（ゲートトレンチ用のマスク材加工）を示す図である。
【図１４】第１の形態の半導体装置について，ゲート絶縁耐圧の分布を示す柱状グラフである。
【図１５】従来の形態の半導体装置（犠牲酸化処理無し）について，ゲート絶縁耐圧の分布を示す柱状グラフである。
【図１６】従来の形態の半導体装置（犠牲酸化処理有り）について，ゲート絶縁耐圧の分布を示す柱状グラフである。
【図１７】ドライエッチングとともにカーボンを導入する概要を示す図である。
【図１８】イオン注入によってカーボンを導入する概要を示す図である。
【図１９】ドライエッチング設備内にカーボン含有部材を配置した状態の例を示す図である。
【符号の説明】
【００８０】
１０    ＭＣＺバルク基板
１１    Ｐ+ コレクタ領域
１２    Ｎ- ドリフト領域
２１    トレンチ
２２    ゲート電極
２４    ゲート絶縁膜
３１    Ｎ+ エミッタ領域
４１    Ｐ- ベース領域
５１    層間絶縁膜
５２    Ａｌ電極
５３    パッシベーション保護膜
９１    マスク膜
９２    酸化膜
９３    副生成物
９５    レジスト
１００  半導体装置
【図１】
2007150126.tif 000003
【図２】
2007150126.tif 000004
【図３】
2007150126.tif 000005
【図４】
2007150126.tif 000006
【図５】
2007150126.tif 000007
【図６】
2007150126.tif 000008
【図７】
2007150126.tif 000009
【図８】
2007150126.tif 000010
【図９】
2007150126.tif 000011
【図１０】
2007150126.tif 000012
【図１１】
2007150126.tif 000013
【図１２】
2007150126.tif 000014
【図１３】
2007150126.tif 000015
【図１４】
2007150126.tif 000016
【図１５】
2007150126.tif 000017
【図１６】
2007150126.tif 000018
【図１７】
2007150126.tif 000019
【図１８】
2007150126.tif 000020
【図１９】
2007150126.tif 000021