(57)【要約】【課題】トレンチに充填されているゲート電圧の電位によって抵抗が変化する半導体装置の耐圧を高める。【解決手段】半導体基板２０の表面２４とトレンチ２２の側面２８との境界範囲に、表面２４にも側面２８にも傾斜する傾斜平面２６を形成する。境界範囲に湾曲面が形成されている場合に比して、電界集中の緩和作用が向上し、耐圧が向上する。結晶異方性エッチングあるいは物理的異方性エッチングによって、傾斜平面を形成することができる。【選択図】図１
2016048747.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の表面から深部に向かうトレンチが形成されており、
前記半導体基板の表面と前記トレンチの側面との境界範囲に、前記表面と前記側面の両者に対して傾斜する傾斜平面が形成されており、
少なくとも前記傾斜平面から前記側面に達する範囲にゲート絶縁膜が形成されており、
ゲート電極が、前記ゲート絶縁膜を介して、前記傾斜平面と前記側面に対向していることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
「前記表面と前記傾斜平面がなす角」＜「前記表面と前記側面がなす角」であることを特徴とする請求項１の半導体装置。
【請求項３】
前記傾斜平面が、半導体基板を構成する単結晶の結晶面で構成されていることを特徴とする請求項１または２の半導体装置。
【請求項４】
前記半導体基板の表面から深部に向けて、ソース層とベース層とドリフト層の順に積層されており、
前記トレンチは、前記ソース層とベース層を貫通して前記ドリフト層に達しており、
前記傾斜平面の形成範囲が、前記ソース層の深さ範囲内に留まっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記半導体基板の表面に２以上のトレンチが形成されており、
隣接する前記傾斜平面の間に、前記半導体基板の表面が残存していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書では、ＳｉＣ等の半導体基板にトレンチが形成されており、そのトレンチにゲート電極が充填されており、そのゲート電極の電位によって抵抗が変化する半導体装置に関する技術を開示する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に、ＳｉＣからなる半導体基板にトレンチを形成し、そのトレンチにゲート電極を充填し、そのゲート電極の電位によってオン・オフする半導体装置（ＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴ）を製造する方法が開示されている。
特許文献１の技術では、トレンチのコーナー部においてゲート絶縁膜が破壊されるのを防止するために、半導体基板を異方性エッチングしてトレンチを形成した後に、トレンチのコーナー部の丸め処理を行う（特に段落００３９を参照）。
特許文献１の技術では、トレンチのコーナー部を丸めることで電界集中を緩和し、ゲート絶縁膜が破壊されないようにする。実際的で効果的な技術であり、半導体装置に印加可能な電圧を上昇させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−０５４３４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
トレンチのコーナー部を丸めることによる耐圧向上効果は限定的であり、半導体装置に印加する電圧をさらに上昇させると、トレンチの丸められたコーナー部でゲート絶縁膜が破壊され、それによって半導体装置に印加可能な電圧の上限が決定されることがある。特に、半導体基板の表面上に形成されているゲート配線と、トレンチ内に充填されているトレンチゲート電極を接続する部分では、トレンチの肩部（半導体基板の表面とトレンチの側面との境界に存在するコーナー部）に沿って、ゲート絶縁膜とゲート電極ないしゲート配線が伸びることになり、トレンチの肩部を覆っているゲート絶縁膜が破壊されやすい。トレンチの肩部を丸める処理では不十分であり、丸められたトレンチの肩部を覆っているゲート絶縁膜が破壊されることがある。半導体装置に印加可能な電圧を一層に高圧化するためには、トレンチの肩部を覆うゲート絶縁膜が破壊されないようする新たな技術が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書で開示する半導体装置では、半導体基板の表面から深部に向かうトレンチが形成されており、半導体基板の表面とトレンチの側面との境界範囲に、半導体基板の表面とトレンチの側面の両者に対して傾斜する傾斜平面が形成されている。そして、傾斜平面からトレンチの側面に達する範囲にゲート絶縁膜が形成されており、そのゲート絶縁膜上にゲート電極が形成されている。ゲート電極は、ゲート絶縁膜を介して、傾斜平面とトレンチの側面に対向している。
【０００６】
上記の半導体装置では、トレンチの肩部が丸められておらず、代わりに傾斜平面が形成されている。ここでいう平面は、曲面（丸められた面）でないことをいい、幾何学でいう平面のことをいう。また、傾斜とは、半導体基板の表面とトレンチの側面の両者に対して傾斜していることをいう。
【０００７】
上記の半導体装置によると、トレンチの肩部を丸める場合に比して、トレンチの肩部近傍における電界集中が一層効果的に緩和され、半導体装置に印加可能な電圧の上限を一層に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例のトレンチの形状を示す図。
【図２】ゲート絶縁膜とゲート電極と層間絶縁膜を加えた図。
【図３】図２の肩部近傍を拡大して示す図。
【図４】トレンチの長手方向の端部を示す図。
【図５】トレンチの中間深さの傾斜角と深部の傾斜角の関係１を示す図。
【図６】トレンチの中間深さの傾斜角と深部の傾斜角の関係２を示す図。
【図７】トレンチの中間深さの傾斜角と深部の傾斜角の関係３を示す図。
【図８】トレンチの中間深さの傾斜角と深部の傾斜角の関係４を示す図。
【図９】半導体構造の第２実施例を示す図。
【図１０】半導体構造の第３実施例を示す図。
【図１１】製造方法の実施例１を示す図。
【図１２】製造方法の実施例２を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
下記に説明する実施例の主要な特徴を整理する。下記特徴のいずれも、特許請求の範囲の技術的範囲に含まれる。下記でいう傾斜角は、半導体基板の表面となす角度であって、鋭角側の角度をいう。
特徴１：ベース層を貫通している範囲のトレンチの側面の傾斜角αは一定である。
特徴２：特徴１の傾斜角αが、８５〜９０°の範囲にある。
特徴３：傾斜平面の傾斜角βが、β＜αの関係にある。
特徴４：隣接するトレンチのうちの左側トレンチの右側面に続く傾斜平面と、右側トレンチの左側面に続く傾斜平面の間に、半導体基板の表面が残存している。
特徴５：前記の残存表面に臨む範囲に、ベースコンタクト領域が形成されている。
特徴６：トレンチの底面近傍の側面の傾斜角θが、θ＜α、θ＝α、θ＞αのいずれかの関係にある。
特徴７：傾斜平面がソース又はエミッタ層の厚み範囲に留まっており、ベース（ボディ）層に到達していない。
特徴８：半導体基板の表面と傾斜平面の間に、遷移範囲が存在する。
特徴９；傾斜平面とトレンチの側面との間に、遷移範囲が存在する。
特徴１０：傾斜平面を形成する前の半導体基板の表面とトレンチの側面が接する点を通過する４５°の仮想傾斜線が、傾斜平面を通過している。
特徴１１：半導体基板はＳｉＣで形成されている。
特徴１２：ＳｉＣ単結晶の特定結晶面によって、傾斜平面が形成されている。
特徴１３：トレンチを形成した後のＳｉＣ単結晶を結晶異方性エッチングして傾斜平面を形成する。
特徴１４：トレンチを形成するために利用したマスクに加工を加えない状態でエッチングする。
特徴１５：トレンチを形成するために利用したマスクの開口幅を拡大してからエッチングする。
特徴１６：隣接するトレンチの間に位置するドリフト層の中間範囲に、ベース層が延びている。
特徴１７：トレンチの底面に臨む範囲に、ドリフト層と反対導電型の不純物が注入されている。
【実施例】
【００１０】
図１は、半導体基板２０の表面２４から深部に向かう複数本のトレンチ２２を形成し、トレンチ２２の肩部に傾斜平面２６を形成した状態での半導体基板２０の断面を示している。図示の明瞭化のために、断面であることを示すハッチを省略している。複数本のトレンチ２２は、紙面垂直方向に長く延びている。図１では、隣接するトレンチ２２のうちの左側トレンチを２２ａで示し、右側トレンチを２２ｂで示している。両者は同一形状であり、共通の事象について説明する場合には添え字ａ，ｂを省略する。
半導体基板２０内には、上方から順に、ソース層３２、ベース層（ボディ層ということもある）３４、ドリフト層３６、ドレイン層３８（図２に示す）が形成されている。
トレンチ２２は、半導体基板２０の表面２４から、ソース層３２とベース層３４を貫通してドリフト層３６に達している。
【００１１】
参照番号２４はトレンチ２２を形成する前の半導体基板２０の表面でもあり、トレンチ２２を形成した後に隣接するトレンチ２２ａ，２２ｂの間に残存する半導体基板２０の表面でもある。参照番号２６は傾斜平面であり、２８はトレンチ２２の側面であり、３０はトレンチ２２の底面を示している。
図１では左側トレンチ２２ａの右側に位置する傾斜平面を２６ａとし、右側トレンチ２２ｂの左側に位置する傾斜平面を２６ｂとしている。両者は、左右対称形状であり、共通の事象について説明する場合は、添え字ａ，ｂを省略する。
【００１２】
トレンチ２２の底面３０は半導体基板２０の表面２４に平行である。トレンチ２２の側面２８の傾斜角度αは、８５°以上で９０°以下の範囲（以下では８５〜９０°という）に設定されている。本明細書でいう傾斜角は、半導体基板２０の表面２４となす角度をいい、原則として鋭角側の角度をいう。
傾斜平面２６の傾斜角βは、５８．５°である。β＜αであり、トレンチ２２は上方に向かうほどに幅広となっている。傾斜平面２６は、トレンチ２２の側面の一部ということができる。したがって、トレンチ２２の側面は、傾斜角が相違する２段のテーパ面２６，２８で構成されているということができる。
【００１３】
傾斜平面２６と側面２８が接する位置ｙ３までの深さ（本明細書では深さを表面２４からの距離で示す）ｄ１は、ソース層３２の深さｄ２と、同等または浅い。すなわち、ｄ１＝ｄ２またはｄ１＜ｄ２である。傾斜平面２６は、ソース層３２の深さ範囲内に留まっている。
図１の場合、側面２８の傾斜角度αが一定である場合を例示している。また、隣接するトレンチ２２間のピッチがＬであり、トレンチ２２の底面３０の幅がＷ１である場合を例示している。ｄ３はベース層３４とドレイン層３６の境界の深さであり、ｄ４はトレンチ２２の底面３０の深さを示している。ｄ３＜ｄ４である。
この場合、隣接するトレンチ２２間に残存する半導体基板２０の表面２４の半幅Ｗ３は下記の式に示すものとなる。
Ｗ３＝Ｌ／２−Ｗ１／２−（ｄ４−ｄ１）／ｔａｎα−（ｄ１）／ｔａｎβ
図１に示す実施例では、Ｗ３＞０となる関係に調整されている。すなわち、隣接するトレンチ２２，２２の間に半導体基板２０の表面２４が残存する関係に調整されている。隣接するトレンチ２２，２２の間に半導体基板２０の表面２４が残存する関係に調整されていると、後記するソース電極４８とソース層３２の間に必要な接触面積を確保することができ、後記するベースコンタクト領域３４ｅを表面２４に臨む位置に形成することができる。
【００１４】
図２は、傾斜平面２６と側面２８と底面３０の表面にゲート絶縁膜４２を形成し、その内側にトレンチゲート電極４４を充填し、トレンチゲート電極４４の表面を層間絶縁膜４６で覆い、その表面にソース電極４８を形成した半導体装置の断面を示している。ソース電極４８はソース層３２に接している。半導体基板２０の裏面にはドレイン電極４０が形成されており、ドレイン電極４０はドレイン層３８に接している。トレンチゲート電極４４は層間絶縁膜４６によってソース電極４８から絶縁されており、図示しない断面でゲート配線５０（図４を参照して後記する）に接続されている。
【００１５】
ソース層３２はｎ＋型であり、ベース層３４はｐ−型であり、ドリフト層３６はｎ−型であり、ドレイン領域３８はｎ＋型である。ソース電極４８とドレイン電極４０の間に、ｎｐｎ構造が配置されており、トレンチゲート電極４４に電位をかけないと、ソース電極４８とドレイン電極４０の間が高抵抗である。トレンチゲート電極４４に正の電圧を印加すると、ゲート絶縁膜４２を介してトレンチゲート電極４４に対向する位置にあるベース層３４がｎ型に反転し、ソース電極４８とドレイン電極４０の間の抵抗が低下する。ＭＯＳＦＥＴとして動作する半導体装置が形成されている。
【００１６】
図３は、トレンチ２２の肩部近傍を拡大して示している。半導体基板２の表面２４は、(000-1)面であり、トレンチ２２は[1-100]方向に伸びている。傾斜平面２６は(03-38)面である。(000-1)面に対して(03-38)面は、５８．５°傾斜している。すなわち、傾斜平面２６の傾斜角βは５８．５°である。
【００１７】
図４は、[1-100]方向に長いトレンチ２２の長手方向の端部を示している。長手方向の端部でも、トレンチ２２の肩部に傾斜平面２６が形成されている。すなわち、表面２４と側面２８の間に傾斜平面２６が形成されている。長手方向の端部では、ゲート絶縁膜４２が、表面２４から傾斜平面２６を経て側面２８に至る範囲に形成されている。半導体基板の表面上にはゲート配線５０が形成されている。ゲート配線５０はトレンチゲート電極４４に接続されている。ゲート配線５０とトレンチゲート電極４４の接続部では、ゲート絶縁膜４２を介してトレンチゲート電極４４ないしゲート配線５０が傾斜平面２６に対向する関係となる。
【００１８】
トレンチゲート電極４４に正電圧を印加しない状態で、ソース電極４８とドレイン電極４０の間に印加する電圧を高めていくと、トレンチ２２の肩部を覆っているゲート絶縁膜４２が破壊される。この現象が、ソース電極４８とドレイン電極４０の間に印加可能な電圧の上限を決定する。
トレンチ２２の肩部が鋭角をなしていると、その近傍における電界集中が顕著となり、肩部を覆っているゲート絶縁膜が破壊されやすい。そこで特許文献１の技術が開発され、トレンチの肩部を丸める。肩部を丸めると電界集中が緩和され、肩部を覆っているゲート絶縁膜が破壊されにくくなる。しかしながら、その効果は限定的である。
本実施例では、丸めるのではなく、肩部に傾斜平面を形成する。肩部に傾斜平面を形成すると、電界集中が一層に緩和され、ゲート絶縁膜は極めて破壊されにくくなる。
表１は、他の条件を同じとして、トレンチの肩部の形状のみを変えた場合の比較結果を示し、肩部を傾斜平面とすることで、ソース電極４８とドレイン電極４０の間に印加可能な電圧の上限を６０ボルトにまで上昇できることが確認される。
【００１９】
【表１】
2016048747.tif 000003
【００２０】
図１では、半導体基板２０の表面２４と傾斜平面２６が接し、傾斜平面２６とトレンチ２２の側面２８が接している。
重要なことは、トレンチ２２の肩部に傾斜平面２６が存在することであって、表面２４と傾斜平面２６の間の境界範囲に曲面が介在していてもよい。あるいは、傾斜平面２６と側面２８の間の境界範囲に曲面が介在していてもよい。傾斜平面２６を形成する前の半導体基板２０の表面２４とトレンチ２２の側面２８が接する点を通過して半導体基板２０の表面２４に対して４５°傾斜する仮想傾斜線を想定したときに、傾斜平面２６を形成した後の半導体基板２０とその仮想傾斜線が交差する点が傾斜平面２６の範囲内に含まれていれば、傾斜平面２６を形成することで耐圧が向上する効果が得られる。
【００２１】
トレンチ２２の側面２８の傾斜角αについては、８５〜９０°の範囲にあることが好ましい。この範囲にあると、ＭＯＳＦＥＴがオンしたときのチャネル抵抗が低く、トレンチ２２内にトレンチゲート電極４４を隙間なく充填することができる。上記の効果を得るために必要な傾斜角は、ベース層３４を貫通する範囲での側面２８の傾斜角αである。ドレイン領域３６内に入り込んでいる深さにおけるトレンチ２２の側面２８の傾斜角θは、上記の数字範囲になくてもよい。
【００２２】
図５は、ベース層３４を貫通する範囲の側面２８ｃの傾斜角αと、ドリフト層３６に陥入する範囲の側面２８ｄの傾斜角θが等しい場合を例示する。しかしながら、α＝θである必要はない。図６に示すようにα＞θであってもよいし、図７に示すようにα＜θであってもよい。
なお、傾斜角θは図１のｙ１とｙ２を結ぶ線分の傾斜角に等しく、傾斜角αはｙ２とｙ３を結ぶ線分の傾斜角に等しく、傾斜角βはｙ３とｙ４を結ぶ線分の傾斜角に等しい。図７の場合は、下に向かって幅が拡大する方向に傾斜しているので、傾斜角θが９０°以上となる。下に向かってトレンチ幅が拡大する方向に傾斜して場合は、鈍角の側が傾斜角となる。なお、上に向かって幅が拡大する方向に傾斜している条件下で、α＜θであることもある。すなわち、α＜θ＜９０°ということもありえる。図８に示すように、ドレイン層３６に陥入する範囲では、トレンチ２２の側面と底面が丸まっていてもよい。
【００２３】
図９に示すように、ｐ型のベース層３４の左右方向の中央から上方に向けてｐ型の領域３４ｅが伸びていてもよい。その領域３４ｅは、隣接するトレンチ２２の間に残存している半導体基板２０の表面２４に露出していることが好ましく、ソース電極４８にオーミック接触する不純物濃度に形成されていることが好ましい。その領域３４ｅは、ベースコンタクト領域として動作し、ベース層３４の電位をソース電極４８ないしソース層３２の電位に等しくする。ベース層３４の電位が安定すると、ＭＯＳＦＥＴの動作が安定する。
【００２４】
図９に示すように、ｐ型のベース層３４の左右方向の中央から下方に向けてｐ型の領域３４ｆが伸びていてもよい。その領域３４ｆは、隣接するトレンチ２２の間においてドリフト層３６内に侵入する。領域３４ｆは、トレンチ２２の底面側のコーナー部の近傍における電界集中を緩和し、底面側のコーナー部の近傍においてゲート絶縁膜が破壊されるのを防止する。
あるいは、図１０に示すように、トレンチ２２の底面３０に臨む範囲のドリフト層３６のなかに、ｐ型領域５４を形成してもよい。ｐ型領域５４もまた、トレンチ２２の底面側のコーナー部の近傍における電界集中を緩和し、底面側のコーナー部の近傍においてゲート絶縁膜が破壊されるのを防止する。ｐ型領域５４はフローティングしていてもよいが、図示しない断面でソース電極４８に導通させておくことが好ましい。
【００２５】
図１１は、傾斜平面２６の形成方法の一例を示す。参照番号５２は、トレンチ２２の形成用のマスクであり、ＳｉＯ２で形成されており、トレンチ２２の形成範囲に開口が形成されている。マスク５２の上方からＲＩＥ（Reactive Ion Etching）することでトレンチ２２が形成される。ＲＩＥの条件を変えることで、トレンチ２２の側面２８の傾斜角αを８５〜９０°の範囲に調整することできる。
図１１の（２）は、トレンチ２２の形成に続いて、ＣＦ４＋Ｈ２を用いてＣＤＥ（Chemical Dry Etching）した結果を示している。ＣＦ４＋Ｈ２を用いてＣＤＥすると、傾斜平面２６が形成される。ＣＤＥは等方性エッチングであり、特定の結晶面が露出しづらいはずであるが、それでも平面が形成される。トレンチを形成するＲＩＥの際に、トレンチの形成範囲外でも半導体基板２０の表面２４の近傍にエッチングダメージが加えられている。表面近傍にエッチングダメージが加えられている半導体基板２０の表面をマスク５２で覆っておいてＣＤＥすると、特定の結晶面が露出してくる。これによって傾斜平面２６を形成することができる。ＣＦ４＋Ｈ２を用いてＣＤＥするのに代えて、ＲＩＥしてもよい。
【００２６】
図１２の（１）は図１１の（１）に等しい。図１２の（２）は、図１２（１）に続いてＢＨＦ（Buffered Hydrogen Fluoride）を用いてウエットエッチングした状態を示す。マスク５２の一部がエッチングされ、開口の幅が広げられる。（１）ではＬ１であった開口幅が、（２）ではＬ２に拡大されている。（３）は、ＳＦ６を用いてＲＩＥした状態を示す。ＲＩＥの条件を変えることで、特定の結晶面が露出する結果を得ることができる。これによって傾斜平面２６を得ることができる。
【００２７】
表２は、トレンチの肩部に傾斜平面を形成する方法を示す。
【表２】
2016048747.tif 000004
【００２８】
本技術で重要なことは、傾斜平面の形成方法ではない。トレンチの肩部を丸めるのではなく、傾斜平面に形成することで、ソースとドレイン間に印加可能な電圧の上限を上昇させることができるという知見である。傾斜平面を形成する方法は、表２に示すものに限られない。結晶面によってエッチング速度が異なる結晶異方性エッチングの既知の技術を活用することで、必要な傾斜角βに調整された傾斜平面を形成することができる。あるいは物理的な異方性エッチングによって、特定結晶面を露出させ、必要な傾斜角βに調整された傾斜平面を形成することができる。
【００２９】
トレンチの肩部を丸める処理によると、丸められた肩部の曲率半径が一定せず、半導体装置ごとのばらつきが大きくなる。傾斜平面を形成する技術によると、上記のばらつきが生じず、一定の品質の半導体装置を量産することが可能となる。
【００３０】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、上記の実施例ではＭＯＳＦＥＴに適用した実施例を説明しているが、ＩＧＢＴにも適用することができる。
上記実施例では、トレンチの左右に形成される傾斜平面と側面の傾斜角が左右対称であると説明したが、半導体基板の表面がオフ角を備えていることがある。この場合、オフ角の影響によって左右対称性が失われる。オフ角の影響によって左右非対称となっても、傾斜平面を形成する利点は失われない。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３１】
２０：半導体基板
２２：トレンチ
２４：半導体基板の表面
２６：傾斜平面
２８：トレンチ側面
３０：トレンチ底面
３２：ソース層
３４：ベース層（ボディ層）
３４ｅ：コンタクト領域
３４ｆ：電界緩和領域
３６：ドリフト層
３８：ドレイン層
４０：ドレイン電極
４２：ゲート絶縁膜
４４：トレンチゲート電極
４６：層間絶縁膜
４８：ソース電極
５０：ゲート配線
５２：トレンチ形成用マスク
５４：電界緩和領域
【図１】
2016048747.tif 000005
【図２】
2016048747.tif 000006
【図３】
2016048747.tif 000007
【図４】
2016048747.tif 000008
【図５】
2016048747.tif 000009
【図６】
2016048747.tif 000010
【図７】
2016048747.tif 000011
【図８】
2016048747.tif 000012
【図９】
2016048747.tif 000013
【図１０】
2016048747.tif 000014
【図１１】
2016048747.tif 000015
【図１２】
2016048747.tif 000016