JP2007235080A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【目的】アスペクト比が８以上のトレンチの側壁に傾斜イオン注入法によりイオン注入層を形成する製造方法の場合でも、耐圧を低下させずに、いっそうオン抵抗を低下させる半導体装置の製造方法を提供。
【構成】直接トレンチ側壁底部に照射できる程度に照射角の小さいイオン注入と、それより大きな照射角でのイオン注入とを組み合わせて複数回のイオン注入をする。
【選択図】 図１−１

Description

この発明は、半導体基板面に垂直で高アスペクト比のトレンチを有する半導体装置の製造方法に関し、特には高アスペクト比のトレンチ内の側壁に不純物拡散層を形成するためのイオン注入法に関する。

一般に半導体素子は、半導体基板の両主面のうち、片面にのみ電極部をもつ横型素子と、両面に電極をもつ縦型素子とに大別されるが、電力用半導体素子ではオン時にドリフト電流が流れる方向と、オフ時の逆バイアス電圧による空乏層が延びる方向とが同じ縦方向である縦型素子が主として用いられる。たとえば、通常のプレーナ型のｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴの場合、高抵抗のｎ⁻ドリフト層の部分は、ＭＯＳＦＥＴがオン状態では縦方向にドリフト電流を流す領域として働き、オフ状態では空乏化して耐圧を維持する。

この高抵抗のｎ⁻ドリフト層の電流経路を短くすると、その分ドリフト抵抗が低くなるのでＭＯＳＦＥＴの実質的なオン抵抗を下げる効果に繋がるものの、逆にｐベース領域とｎ⁻ドリフト領域との間のｐｎ接合から進行してｎ⁻ドリフト層側に広がる空乏層の幅が狭くなって、シリコンの臨界電界強度に速く達するため、耐圧が低下する。逆に耐圧の高い半導体装置では、高抵抗のｎ⁻ドリフト層が厚くなるため必然的にオン抵抗が大きくなり、損失が増すことになる。このような関係のオン抵抗と耐圧にはトレードオフ関係があると言われる。このようなトレードオフ関係を有する電力用半導体装置として、ＩＧＢＴ、バイポーラトランジスタ、ダイオード等の半導体素子が知られている。

このトレードオフ関係を改善する一方法として、ドリフト層を、不純物濃度を高めたｎ型の条状または柱状領域とｐ型の条状または柱状領域とが半導体基板面に垂直な方向（縦方向）に一定間隔で繰り返し配置された構造（以降、並列ｐｎ構造という）となるように構成し、オン時には低抵抗、オフ状態時には、前記条状または柱状領域を空乏化して耐圧を負担するようにした構造の半導体装置（以降、超接合半導体装置と称す）とすることにより、前記オン電圧と耐圧とのトレードオフ関係を改善する方法が既に知られている（特許文献１，２，３，４）。

前記超接合半導体装置にかかるｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴと通常のプレーナ型構造の縦型ＭＯＳＦＥＴとの最大の違いは、前者の超接合ｎチャネル縦型ＭＯＳＦＥＴではドリフト層が一様・単一の導電型でなく、前述の並列ｐｎ構造を備える点である。さらに、そのドリフト層内の並列ｐｎ構造が後者の縦型ＭＯＳＦＥＴのドリフト層よりも高不純物濃度の層にされていることである。またさらに、前記並列ｐｎ構造の不純物濃度が高くても、オフ状態では空乏層が、縦方向に配向する並列ｐｎ構造の各ｐｎ接合面からこの接合面に垂直な方向の双方に拡張して、並列ｐｎ構造領域の全体を空乏化するように、幅の狭い条状の各ｐｎ層が並列に並んだ構成にされている。この結果、ドリフト層が高不純物濃度にもかかわらず、高耐圧化を図ることができるのである。

このような並列ｐｎ構造を備える超接合半導体装置を作製する従来の方法について説明する。以下の説明で特に記載の無い場合は、半導体基板として半導体シリコンを用いるものとする。そのひとつは、図９−１（ａ）に示すように、低抵抗のｎ^＋基板１１１上にエピタキシャル成長層１１２を全面に形成し、このエピタキシャル成長層１１２に、酸化膜１１３をマスクとして所定の間隔で表面からｎ^＋基板１１１に達する深さで、深さ／幅の比が大きい高アスペクト比のトレンチ１１４を形成する。そのトレンチ１１４の側壁に対し、片側に矢印で示す斜めイオン注入によるｎ型不純物を、さらに図９−１（ｂ）の矢印に示すように、その反対側の側壁にｐ型不純物を斜めイオン注入（斜角度イオン注入：矢印により示す）によって導入し、図９−２（ｃ）に示すように、熱拡散等によってｐ層１１２ａとｎ層１１２ｂからなるｐｎ構造を形成する。その後、図９−２（ｄ）に示すように、トレンチ１１４内部を酸化膜等１１５で埋め戻す方法である（特許文献５）。また、別の方法として、図１０−１の（ａ）、（ｂ）に示すように、低抵抗ｎ^＋基板２１１上にエピタキシャル成長層２１２を全面に形成し、このエピタキシャル成長層２１２に酸化膜２１３をマスクとして所定の間隔で周期的なトレンチ２１４を形成する。そのトレンチ２１４の側壁に対し、矢印で示すように側壁の両側に同じｎ型不純物（図１０−１（ａ））またはｐ型不純物（図１０−１（ｂ））のイオン注入をそれぞれ行う。その際、たとえば、ｎ型としてＡｓ（砒素）、ｐ型としてＢ（ボロン）というように、拡散係数の異なるイオン種の組み合わせとなるように選択する。そして、図１０−２の（ｃ）、（ｄ）に示すように、熱拡散等の処理を加え、不純物イオンの拡散係数の違いによりｐ層２１２ａとｎ層２１２ｂからなるｐｎ構造を形成し、その後、前述と同様にトレンチ内部を酸化膜２１５等で埋め戻す方法である（特許文献６）。さらに異なる方法は、図１１（ａ）に示すように、低抵抗ｎ^＋基板３１１上に形成されたｎ型エピタキシャル成長層３１２に所定の間隔で繰り返すトレンチ３１４を形成し、矢印で示すようにそのトレンチ３１４の側壁の両側にｐ型不純物のイオン注入を行う。図１１（ｂ）に示すように、熱拡散等によってｐ層３１２ａとｎ層３１２ｂからなるｐｎ構造を形成する方法である（特許文献７）。

以上説明した超接合半導体装置によれば、トレンチ間隔を狭くすることにより、ドリフト層中に縦方向に形成される高不純物濃度の並列ｐｎ接合（超接合）の繰り返しピッチを小さくすることができ、ドリフト層をより高不純物濃度にしても、オフ時に並列ｐｎ領域の全体を空乏化する超接合ｐｎ構造とすることができるので、耐圧を低下させることなくオン抵抗を低下させることが可能である。

さらに、可能な限りの平滑内面を有するトレンチを利用してカラム状の拡散領域を形成して電圧維持領域とする電力用ＭＯＳＦＥＴに関する発明の記載がある（特許文献８）。また、形成したトレンチ内壁を非酸化性且つ非窒化性雰囲気で熱処理して内壁を平坦化した後、トレンチ内にエピタキシャル成長膜を形成する工程とすることにより、スーパージャンクション構造を有する半導体装置に関する記載がある（特許文献９）。さらに、高アスペクト比のトレンチ内にシリコンのエピタキシャル成長膜で埋め込む前に、トレンチ内を高温で水素アニールすることにより内表面を清浄化する記載がある（特許文献１０―段落００２０）。
欧州特許第００５３８５４号明細書 米国特許第５２１６２７５号明細書 米国特許第５４３８２１５号明細書 特開平９−２６６３１１号公報 特開平１０−２２３８９６号公報 特開２００３−０４６０８２号公報 特開２００２−１１０６９３号公報 特表２００５−５１４７８６号公報 特許第３７４３３９５号公報 特開２００６−１９６１０号公報

しかしながら、前述したような、高アスペクト比のトレンチを利用する斜角度イオン注入によって並列ｐｎ接合構造を形成する超接合半導体装置の製造方法では、耐圧を低下させることなく、さらにいっそうオン抵抗を低下させるように改良するには、トレンチの幅をさらに狭くする必要がある。この場合、高アスペクト比のトレンチであるため、トレンチ幅の狭い場合、トレンチの側壁底部までイオンを照射するためには、ウエハに垂直な方向に対する（垂直方向を基準として）イオン注入の照射角をさらに小さくしなければならないが、トレンチ幅を狭くして、アスペクト比が８以上のトレンチとする場合、トレンチ底部にイオン照射が届くようにイオン照射角度を小さくすると、耐圧が低下するという問題が生じる。そのため、トレンチ幅を小さくしてデバイスピッチ幅を小さくすること、すなわち、アスペクト比が８以上のトレンチとして、高耐圧、低オン抵抗の超接合半導体装置とすることには限界があった。

この点について、さらに詳細に、具体的に説明すると、前述の超接合半導体装置の製造方法において、耐圧を低下させずにいっそうオン抵抗を低下させる目的で、深さ５０μｍ、幅５μｍのトレンチ（深さ／幅のアスペクト比が１０）を形成し、そのトレンチの側壁に対し、片側にｎ型不純物、その反対側の側壁にｐ型不純物を斜めイオン注入（斜角度イオン照射）によって導入し、熱拡散等の処理を加えてｐ層とｎ層からなる超接合並列ｐｎ構造を形成した場合、オン抵抗は低下するものの、耐圧も低下してしまった。また、このような耐圧の低下に対しては、図１２に示すように、横軸のイオン照射エネルギーを変える（たとえば、大きくする）ことなどを試みたが、縦軸に示す側壁イオン注入量の底部と開口部との間の注入量の差に変化は無く、注入量分布のばらつきも変らず、耐圧に関しては解決されなかった。

本発明は、以上述べた問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、トレンチの幅または直径が６μｍ以下で、深さ／幅の比が８以上の高アスペクト比に形成されたトレンチの側壁に傾斜イオン注入法によりイオン注入層を形成する製造方法の場合でも、深さ方向に均一な、側壁へのイオン注入量とし、耐圧を低下させずに、いっそうオン抵抗を低下させることのできる半導体装置の製造方法を提供することである。

特許請求の範囲の請求項１記載の半導体装置の製造方法によれば、一方の主面に深さｄ／幅ｗの比が８より大きいトレンチが形成された半導体基板に、前記主面の垂直軸に対して所定の傾斜角θでイオン注入プロセスを行い、前記トレンチ内の側壁にイオン注入層を形成する工程を備える半導体装置の製造方法において、前記イオン注入プロセスが、同一イオン種であって、少なくとも、 ｗ／ｔａｎθ_１≧ｄ／２
を満たすイオン照射傾斜角θ_１をもつイオン注入プロセスと
ｗ／ｔａｎθ_２≦ｄ／２
を満たすイオン照射傾斜角θ_２をもつイオン注入プロセスとを含む複数回のイオン注入プロセスで行う半導体装置の製造方法とすることにより達成される。

特許請求の範囲の請求項２記載の半導体装置の製造方法によれば、前記半導体基板が一導電型の低抵抗半導体基板上に堆積された半導体エピタキシャル成長層を備えるものである特許請求の範囲の請求項1記載の半導体装置の製造方法とすることが好ましい。
特許請求の範囲の請求項３記載の半導体装置の製造方法によれば、前記半導体エピタキシャル成長層が一導電型であって、該成長層に形成された前記トレンチ内の側壁へ傾斜角の異なる複数回のイオン注入により他導電型の不純物拡散層を形成する特許請求の範囲の請求項２記載の半導体装置の製造方法とすることが望ましい。

特許請求の範囲の請求項４記載の半導体装置の製造方法によれば、前記トレンチ内の側壁への傾斜角の異なる複数回のイオン注入が前記側壁の両側にそれぞれ行われる特許請求の範囲の請求項３記載の半導体装置の製造方法とすることも好ましい。
特許請求の範囲の請求項５記載の半導体装置の製造方法によれば、前記側壁の両側にそれぞれ行われる傾斜角の異なる複数回のイオン注入が前記半導体基板に垂直な方向に対する傾斜角とイオン照射エネルギーとイオン注入時間が同じ条件で同一のイオン種を用いる特許請求の範囲の請求項４記載の半導体装置の製造方法とすることもより好ましい。

特許請求の範囲の請求項６記載の半導体装置の製造方法によれば、前記半導体エピタキシャル成長層に形成された前記トレンチの側壁へ、イオン注入により導入される不純物が複数であって、それぞれ異なる導電型と異なる拡散係数を有し、かつ、それぞれ傾斜角の異なる複数回のイオン注入が行われる特許請求の範囲の請求項1または２記載の半導体装置の製造方法とすることが好適である。

特許請求の範囲の請求項７記載の半導体装置の製造方法によれば、前記トレンチの平面形状がストライプ状で特許請求の範囲の請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法とすることも望ましい。
特許請求の範囲の請求項８記載の半導体装置の製造方法によれば前記トレンチは、平面形状が円形もしくは多角形であり、前記半導体基板の一方の主面に所定の表面間隔で配置されている特許請求の範囲の請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法とすることもできる。

特許請求の範囲の請求項９記載の半導体装置の製造方法によれば、前記傾斜角の異なる複数回のイオン注入はそれぞれ、基板に垂直な方向に対する傾斜角を一定に保ちながら、イオン注入ビームまたは半導体基板を、連続的または断続的に回転させて行う特許請求の範囲の請求項１乃至８のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法とすることがより望ましい。

特許請求の範囲の請求項１０記載の半導体装置の製造方法によれば、前記トレンチの幅または直径が６μｍ以下である特許請求の範囲の請求項１乃至９のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法とすることがより好適である。
特許請求の範囲の請求項１１記載の半導体装置の製造方法によれば、前記イオン注入プロセスの前に、トレンチ内の側壁を熱処理で平滑化する請求項１記載の半導体装置の製造方法とすることがいっそう好ましい。

要するに、深さ／幅の比が８以上の高アスペクト比で半導体基板の主面に垂直に形成されたトレンチを利用して、半導体基板の主面に垂直な方向に対する照射角の小さな斜めイオン注入を行って半導体装置を製造すると、耐圧の低下が起き易いという問題を解決するために、本発明では、直接トレンチ側壁の深さの二分の一より深いところへ照射できる程度に照射角の小さいイオン注入と、トレンチ側壁の深さの二分の一より浅いところへ照射する大きな照射角でのイオン注入とを組み合わせて複数回のイオン注入をすることにより、前記耐圧の低下を改善するものである。

本発明によれば、トレンチの幅または直径が６μｍ以下で、深さ／幅の比が８以上の高アスペクト比に形成されたトレンチの側壁に傾斜イオン注入法によりイオン注入層を形成する製造方法の場合でも、深さ方向に均一な、側壁へのイオン注入量とし、耐圧を低下させずに、いっそうオン抵抗を低下させる半導体装置の製造方法を提供することができる。

以下、本発明にかかる半導体装置の製造方法について、図面を参照して詳細に説明する。本発明はその要旨を超えない限り、以下に説明する実施例の記載に限定されるものではない。
図１−１、図１−２はそれぞれ本発明の半導体装置の製造方法の実施例１にかかる超接合半導体装置の要部断面図である。図２−１、図２−２はそれぞれ本発明の半導体装置の製造方法の実施例２にかかる超接合半導体装置の要部断面図である。図３はトレンチ幅とイオン注入照射角の違いを示す断面図である。図４は小さい照射角（５度）におけるトレンチ側壁の深さ方向のイオン注入量分布を表す分布図である。図５は大きいイオン照射角（１５度）の場合を示す要部断面図である。図６は、大きいイオン照射角（１５度）におけるトレンチ側壁の深さ方向のイオン注入量分布を表す分布図である。図７は本発明にかかるトレンチ側壁の深さ方向のイオン注入量分布を表す分布図である。図８は本発明にかかるトレンチの平面図である。図１３は本発明の半導体装置の製造方法（実施例３）による異なる超接合半導体装置の要部断面図である。図１４は本発明にかかるトレンチ側壁の両面（照射面と反対面）の深さ方向のイオン注入量分布を表す分布図である。図１５−１は本発明の半導体装置の製造方法（実施例４）による異なる超接合半導体装置の要部断面図である（その１）。図１５−２は本発明の半導体装置の製造方法（実施例４）による異なる超接合半導体装置の要部断面図である（その２）。図１６−１は本発明の半導体装置の製造方法（実施例５）による異なる超接合半導体装置の要部断面図である（その１）。図１６−２は本発明の半導体装置の製造方法（実施例５）による異なる超接合半導体装置の要部断面図である（その２）。

以下、半導体基板の主面に垂直であって前記深さ／幅の比が大きい高アスペクト比のトレンチを有する半導体装置の製造方法におけるイオン注入について特に説明する。前記のような高アスペクト比のトレンチの側壁に均一にイオン注入層を形成するためには、トレンチ側壁の底部にまで直接イオン照射することが必要であり、そのためにはイオン照射角を小さくせざるを得ない。ところが、前述の解決しようとする課題の項でも説明したように、そのようにすると耐圧が低下してしまう問題が発生する。この課題を解決しようとして、この問題を解析し、原因を調べたところ、次のことが判明した。

すなわち、図３（ａ）に示すように、トレンチ幅が広い場合はトレンチ底部に直接到達するイオン照射角θ_１も比較的大きくできるので、トレンチ側壁に均一にイオン注入することができるが、トレンチ幅が小さくなると、図３（ｂ）に示すように、照射イオンが最初にトレンチ側壁に衝突する面にイオンがあまり注入されずに角度反射を起こす割合が大きくなる。たとえば、トレンチ側壁の片側に向けてイオン注入のためにイオン照射を行っても、イオン照射角が５度程度より小さくなればなるほど、最初の衝突面から内部に注入されずに表面で角度反射する。入射角と反射角が等しいとすると、トレンチの幅をｗ、深さをｄ、イオン注入のイオン照射角をθとしたとき、ｗ／ｄ＞ｔａｎθを満たすとき、反対側の側壁（対向する側壁）への注入はおきず、すべてトレンチ底部に注入されるはずである。しかし、実際には図４（ａ）に示したように、前記ｗ／ｄ＞ｔａｎθを満たす条件でも反対側の側壁にもイオン注入される。このため、反対側のトレンチ下部側壁にイオンが注入される比率が高くなる。その結果、２次以上の反射イオンは、トレンチのさらに下部に注入される割合が高くなることにより、全体としてトレンチ側壁下部では上部よりイオン注入量が増加する結果、側壁面のイオン注入量分布が不均一となることが分かった。

詳細に検討すると、深さ５０μｍ、幅５μｍのトレンチ（深さ／幅のアスペクト比が１０）に、片側の側壁に角度５度（半導体基板の主面に垂直な方向を基準とする）で不純物イオンを照射した場合（図４（ａ））と、両側の側壁に角度５度で不純物イオンを照射した場合（図４（ｂ））のトレンチ深さ方向のイオン注入量の分布を測定した。図４（ａ）の点線はトレンチ側壁の注入面側に対向する側壁面（反対面）側におけるイオン注入量の分布である。図４によれば、トレンチの開口部に近い側壁部分より、中間近辺からさらに深い側壁部分でイオン注入量が高いというイオン注入量分布の偏りができていることがわかる。この結果、この傾斜イオン注入方法で作製された超接合半導体装置の超接合構造内のｎ層およびｐ層にも、同様の原因により側壁の深さ方向に不純物濃度分布ができるのである。

トレンチ側壁の深さ方向における照射面と反対面との間の不純物濃度の差は、図１８に示すように、単にイオン照射エネルギーを変えるだけではあまり改善されなかった。
超接合構造において最も耐圧が高くなるのは、そのｎ層およびｐ層の不純物濃度が深さ方向に一様な場合であることが知られている。このことから、前述した耐圧の低下を引き起こす問題の原因は、トレンチ側壁の深さ方向に不純物濃度分布が存在するためであることが推測された。

一方、前記同様のアスペクト比１０のトレンチに対し、図５に示すようにイオン照射角１５度という大きい角度でイオン注入をすると、イオン照射は直接にはトレンチ底部に照射されず、側壁面の上部に注入される。この場合は、図６に示す照射角１５度における側壁面のイオン注入量分布図からトレンチの上部に多くイオン注入され、角度反射により側壁下部に注入されるイオン注入量の少ないことが分かる。図６は前記高アスペクト比のトレンチに、片側の側壁に角度１５度でイオン照射を行った場合（図６（ａ））と、両側の側壁に角度１５度でイオン照射を行った場合（図６（ｂ））のそれぞれのイオン注入量の深さ方向の分布を示す図である。点線はトレンチ側壁の注入面側に対向する側壁面（反対面）側における角度反射によるイオン注入量の分布を示すが、照射角１５度の場合は角度反射によるイオン注入量はほとんど無いことを示している。

本発明は、前述の図４により説明される側壁下部へのイオン注入量の多いイオン照射角の小さい角度によるイオン注入方法と、前記図６により説明される側壁上部へのイオン注入量の多いより大きいイオン照射角度によるイオン注入方法とを組み合わせることにより、高アスペクト比のトレンチ側壁へのイオン注入量分布を均一にしようとするものである。

図７に、深さ５０μｍ、幅５μｍというアスペクト比１０のトレンチを有する半導体基板に、両側の側壁に照射角５度および１５度でそれぞれイオン照射を行った場合の、深さ方向のイオン注入量分布を示した。図７によれば、トレンチ側壁におけるイオン注入量分布がほぼ均一になっていることがわかる。この両方法を組み合わせてイオン注入して作成された超接合半導体装置はオン抵抗の低下が得られると共に、耐圧の低下を防ぐ特性を有することが分かった。

さらに、前述の説明では、イオン照射角度が５度というように小さい場合、トレンチ側壁で角度反射を起こし、トレンチ下部へのイオン注入量が増加すると述べた。しかし、イオン照射角度が小さい場合、側壁の平滑度の、角度反射への影響度が大きく、結果として、側壁の平滑度という観点からも、トレンチ側壁へのイオン注入量のばらつきの程度に影響を及ぼすことも確認された。このため、イオン照射角度を小さくせざるを得ないアスペクト比の大きい（８以上）トレンチを有する半導体装置では、トレンチ側壁表面を原子レベルで平滑にすると、角度反射が効率よくなされるので、図１４に示すように、さらにイオン注入量分布のばらつきの低下が見られ、優れた低オン電圧と高耐圧の半導体装置が得られることが分かった。この点については、下記の実施例３〜５で具体的に説明する。

以下、前述した本発明の半導体装置の製造方法にかかる実施例について、図面を参照して具体的に説明する。図１−１、図１−２に実施例１にかかる超接合半導体装置の製造方法を説明するための半導体シリコン基板の要部断面図を示す。
不純物濃度２×１０^１８ｃｍ^−３程度のｎ型低抵抗シリコン基板１上に、不純物濃度８×１０^１５ｃｍ^−３程度、厚さ５０μｍ程度のｎ型エピタキシャル成長を行う。形成されたエピタキシャル成長層２の表面に熱酸化処理により厚さ１．６μｍ程度のシリコン酸化膜３を形成し、このシリコン酸化膜（以下、酸化膜と略す）３に所定のパターニングを施してトレンチエッチング用マスクとし、深さ５０μｍ、幅５μｍ程度の高アスペクト比を有するトレンチ４を１５μｍ程度の周期間隔で形成する（図１−１（ａ））。このトレンチ４の形成方法としては周知のＲＩＥエッチングなどの異方性ケミカルドライエッチング、アルカリを用いる異方性ウェットエッチング方法などを選択することができる。また、前記トレンチ４の形成のための酸化膜パターニングによりトレンチ４開口部の形状を図８（ａ）に示すようなストライプ状にする。次に、ｐ型不純物としてたとえばホウ素（Ｂ）イオンを、イオン注入によってトレンチ側壁の底部に直接届くように、シリコン基板（ウエハ）に対してウエハの主面に垂直な方向を基準に２度から５度程度傾けて矢印のように照射する（小さい照射角）。イオン照射はトレンチの両側の側壁に対して行い、それぞれ加速電圧４５ｋｅＶ程度、ドーズ量は４×１０^１３ｃｍ^−２程度とする（図１−１（ｂ））。次に、ホウ素（Ｂ）イオンを、ウエハの垂直方向を基準に、直接トレンチ側壁の下部には届かないような照射角で、最初のホウ素のイオン注入の角度よりも照射角を大きく、たとえば、１２度から１５度程度傾けて矢印で示すように照射する（大きい照射角）。このイオン照射はトレンチ４の両側の側壁に対して行い、それぞれ加速電圧４５ｋｅＶ程度、ドーズ量は３×１０^１２ｃｍ^−２程度とする（図１−２（ｃ））。それぞれ角度の異なる２回の前記イオン照射工程は、どちらを先に行ってもよいし、また、同一チャンバーで連続的に処理を行ってもよい。次に、温度１１５０℃程度、Ｎ_２雰囲気下で５００分程度のアニールを行い、ホウ素イオン注入層５を活性化する（図１−２（ｄ））。その後、図示しないが、トレンチ４内部をシリコン酸化膜で埋め込み、その埋め込み酸化膜の最表面層をＣＭＰ（ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＰＯＬＩＳＨＥＲ：化学機械研磨装置）によって平坦化し、酸化膜表面の所定の箇所をパターニングにより選択的に開口し、ＭＯＳゲート構造ならびにソース電極およびドレイン電極および表面金属配線を形成すると、超接合ＭＯＳＦＥＴが完成する。

前記実施例１では、トレンチのアスペクト比が１０の場合について説明したが、おおむね、アスペクト比が８以上であって、前記シリコン基板の主面の垂直軸に対して所定の傾斜角θのイオン注入プロセスが、同一イオン種であって、少なくとも、ｗ／ｔａｎθ_１≧ｄ／２を満たすイオン照射傾斜角θ_１をもつイオン注入プロセスとｗ／ｔａｎθ_２≦ｄ／２を満たすイオン照射傾斜角θ_２をもつイオン注入プロセスとを含む複数回のイオン注入プロセスを行った場合でも、本発明によるイオン注入量分布の偏りを少なくして耐圧低下を防ぐ効果が生じることを確認した。

図２−１、図２−２は本発明の実施例２にかかる超接合半導体装置の製造方法を説明するための半導体シリコン基板の要部断面図である。
不純物濃度２×１０^１８ｃｍ^−３程度のｎ型低抵抗シリコン基板１１上に、実施例１より低不純物濃度の１×１０^１４ｃｍ^−３程度、厚さ５０μｍ程度のｎ型エピタキシャル成長を行う。形成されたエピタキシャル成長層１２の導電型はｐ型であっても良いが、不純物濃度は１×１０^１４ｃｍ^−３以下程度にすると耐圧構造を作成しやすいので好ましい。前記エピタキシャル成長層１２表面に、熱酸化処理により、厚さ１．６μｍ程度の酸化膜１３を形成し、前記実施例１と同様にして、深さ５０μｍ、幅５μｍ程度の高アスペクト比（深さ／幅の比）のトレンチ１４を１５μｍ程度の周期間隔で形成する（図２−１（ａ））。また、前記トレンチ１４の形状はここでは図８（ａ）に示すストライプ状とする。以下、実施例１と同様にｐ型不純物として、たとえばホウ素（Ｂ）イオンをウエハに垂直な方向に対して２度から５度程度傾けて矢印で示すように照射する。この１回目のイオン照射はトレンチ１４の両側の側壁に対して行い、それぞれ加速電圧は４５ｋｅＶ程度、ドーズ量は４×１０^１３ｃｍ^−２程度とする（図２−１（ｂ））。次に、２回目のイオン注入としてホウ素（Ｂ）イオンをウエハに垂直な方向に対して１２度から１５度傾けて照射する。イオン照射はトレンチ１４の両側の側壁に対して行い、それぞれ、加速度は４５ｋｅＶ程度、ドーズ量は３×１０^１２ｃｍ^−２程度とする（図２−１（ｃ））。それぞれ角度の異なる２回のイオン照射工程は、どちらを先に行ってもよいし、また、同一チャンバーで連続的に処理を行ってもよい。次に、ｎ型不純物のイオン注入は、一回目のイオン注入としてｎ型不純物として、たとえば砒素（Ａｓ）イオンをウエハに垂直な方向に対して２度から５度程度傾けて照射する。イオン照射はトレンチ１４の両側の側壁に対して行い、それぞれ加速電圧は４５ｋｅＶ程度、ドーズ量は４×１０^１３ｃｍ^−２程度である（図２−２（ｄ））。次に、２回目のｎ型不純物のイオン注入は砒素（Ａｓ）イオンをウエハに垂直な方向に対して１２度から１５度程度傾けて照射する。このイオン照射はトレンチ１４の両側の側壁に対して行い、それぞれ加速電圧は４５ｋｅＶ程度、ドーズ量は３×１０^１２ｃｍ^−２程度である（図２−２（ｅ））。それぞれ角度の異なる２回のイオン照射工程は、どちらを先に行ってもよいし、また、同一チャンバーで連続的に処理を行ってもよい。また、前記のホウ素（Ｂ）ならびに砒素（Ａｓ）のイオン注入は、どちらを先に行ってもよいし、また、同一チャンバーで連続的に処理を行ってもよい。次に、実施例１と異なり、温度１１５０℃程度、Ｎ_２雰囲気下で１５００分程度の長時間のアニールを行い（図２−２（ｆ））、イオン注入層１５とする。その後、実施例１と同様にして、トレンチ１４内部への酸化膜の埋め込み、その埋め込み酸化膜の最表面層をＣＭＰによる平坦化、酸化膜表面を所定の選択的に開口し、ＭＯＳゲート、ソース電極、ドレイン電極および表面金属配線を形成すると、超接合ＭＯＳＦＥＴが完成する。

以上述べた実施例１、２において、トレンチの表面開口部をストライプ状として説明しているが、円もしくは凸多角形の平面を持つトレンチセルを周期的間隔で繰り返し配置した構造としてもよい（図８（ｂ））。その場合、前記イオン照射工程は、トレンチウエハに垂直な方向に対する照射角度を一定に保ちながら、イオンビームまたはウエハを、連続的または断続的に回転させて行う。

以上述べた実施例１、２で説明した半導体装置の製造方法によれば、異なる照射角のイオン照射を組み合わせることで、図７に示したように、深さ方向にほぼ均一な側壁へのイオン注入量が得られる。これにより、深さ方向に均一な不純物濃度分布をもつ超接合ＭＯＳＦＥＴが作製でき、理想的な電界分布による高耐圧が実現できる。

図１３は本発明の実施例３にかかる半導体装置の製造方法を説明するための半導体シリコン基板の要部断面図である。
不純物濃度２×１０^１８ｃｍ^−３程度のｎ型低抵抗シリコン基板２１上に、不純物濃度８×１０^１５ｃｍ^−３程度、厚さ５０μｍ程度のｎ型エピタキシャル成長を行う。形成されたエピタキシャル成長層２２表面に、熱酸化により、厚さ１．６μｍ程度の酸化膜２３を形成し、前記酸化膜２３をパターニングし、これをハードマスクとして幅６μｍ程度、深さ５０μｍ程度のトレンチ２４を１６μｍ程度の周期間隔で形成する（図１３ａ）。前記トレンチ２４は、ＲＩＥ法などのドライエッチングにより、基板２１の主面に対して垂直に近い形状に形成する。また、前記トレンチ２４の形成工程において、トレンチ２４はシリコン基板２１面の開口パターンを図８（ａ）に示すようなストライプ状に形成される。次に、１００Ｔｏｒｒ（＝１００×１３３．３２Ｐａ）以下の減圧水素雰囲気下で、摂氏１０００度以上の高温で５分程度の熱処理を行う。この熱処理の結果、トレンチ内表面の平滑度が図１７のＡＦＭ（原子間力顕微鏡）による熱処理前の（ａ）から熱処理後の（ｂ）の拡大断面図に示すように原子レベルで高くなっていることが分った。次に、ｐ型不純物として、たとえばホウ素（Ｂ）イオンをウエハに垂直な方向に対して２度から５度程度傾けて照射する。イオン照射はトレンチ２４の両側の側壁に対して行い、それぞれ加速電圧４５ｋｅＶ程度、ドーズ量は５×１０^１３ｃｍ^−２程度である（図１３（ｂ））。次に、照射角を１２度から１５度傾けて加速度を４５ｋｅＶ程度、ドーズ量は３×１０^１２ｃｍ^−２程度としてホウ素（Ｂ）イオンを照射する。角度の異なる２回の前記イオン照射工程は、どちらを先に行ってもよい。次に、温度１１５０℃程度、Ｎ_２雰囲気下で５００分程度のアニールを行う（図１３（ｃ））。以下、トレンチ２４内部を酸化膜で埋め込み、次に、図示しないが、表面をＣＭＰによって平坦化し、表面にＭＯＳゲート構造ならびにソース電極およびドレイン電極を追加することにより超接合ＭＯＳＦＥＴが完成する。

実施例３では、前記トレンチ２４はストライプ状に形成されているが、図８（ｂ）に示すような円形もしくは凸多角形の断面を持つトレンチセルを周期的に配置してもよい。その場合、前記イオン照射工程は、トレンチウエハに垂直な方向に対する照射角度を一定に保ちながら、イオンビームまたはウエハを、連続的または断続的に回転させて行う。
実施例３に示した製造方法によれば、図１４に示したように、トレンチ２４側壁の注入面およびその対向面共、深さ方向に均一なイオン注入量になっていた。この結果、超接合ＭＯＳＦＥＴの耐圧を小さいばらつきで作製することが可能となる。

図１５−１、図１５−２は本発明の実施例４にかかる半導体装置の製造方法を説明するための半導体シリコン基板の要部断面図である。
不純物濃度２×１０^１８ｃｍ^−３程度のｎ型低抵抗シリコン基板３１上に、不純物濃度１×１０^１４ｃｍ^−３程度、厚さ５０μｍ程度のｎ型エピタキシャル成長を行う。前記エピタキシャル成長は、ｐ型であってもよいが、不純物濃度は１×１０^１４ｃｍ^−３以下であったほうが、耐圧構造の作製を行いやすい。形成されたエピタキシャル成長層３２表面に、熱酸化により、１．６μｍ程度の酸化膜３３を形成し、前記酸化膜３３をパターニングし、これをハードマスクとして幅６μｍ程度、深さ５０μｍ程度のトレンチ３４を１６μｍ程度の周期で形成する（図１５−１（ａ））。前記トレンチ３４は、ＲＩＥ法などのドライエッチングにより、基板面に対して垂直に近い形状に形成する。また、前記トレンチ３４の形成工程において、トレンチ３４は図８（ａ）に示すようなストライプ状に形成する。次に、１００Ｔｏｒｒ（＝１００×１３３．３２２Ｐａ）以下の減圧水素雰囲気下で、摂氏１０００度以上の高温で５分程度の熱処理を行う。この熱処理の結果、トレンチ内表面の平滑度が図１７のＡＦＭ（原子間力顕微鏡）による熱処理前の（ａ）から熱処理後の（ｂ）の拡大断面図に示すように原子レベルで高くなっていた。次に、ｐ型不純物として、たとえば、ホウ素（Ｂ）イオンをウエハに垂直な方向に対して２度から５度程度傾けて照射する。イオン照射はトレンチ３４の両側の側壁に対して行い、それぞれ加速電圧は４５ｋｅＶ程度、ドーズ量は５×１０^１３ｃｍ^−２程度である（図１５−１（ｂ））。次に、照射角を１２度から１５度傾けて加速度を４５ｋｅＶ程度、ドーズ量は３×１０^１２ｃｍ^−２程度としてホウ素（Ｂ）イオンを照射する。次に、ｎ型不純物として、たとえば、砒素（Ａｓ）イオンをウエハに垂直な方向に対して２度から５度程度傾けて照射する。イオン照射はトレンチ３４の両側の側壁に対して行い、それぞれ加速電圧は４５ｋｅＶ程度、ドーズ量は５×１０^１３ｃｍ^−２程度である（図１５−２（ｃ））。次に、照射角を１２度から１５度傾けて加速度を４５ｋｅＶ程度、ドーズ量は３×１０^１２ｃｍ^−２程度として砒素（Ａｓ）イオンを照射する。また、前記のホウ素（Ｂ）ならびに砒素（Ａｓ）のイオン注入は、どちらを先に行ってもよいし、また、同一チャンバーで連続的に処理を行ってもよい。次に、温度１１５０℃程度、Ｎ_２雰囲気下で２０００分程度のアニールを行い、ｐ層、ｎ層とする（図１５−２（ｄ））。以下、図示しないが、トレンチ３４内部を酸化膜で埋め込み、表面をＣＭＰによって平坦化し、表面にＭＯＳゲート構造ならびにソース電極およびドレイン電極を追加することにより超接合ＭＯＳＦＥＴが完成する。

実施例４において、トレンチ３４はストライプ状に形成しているが、実施例３と同様に、円もしくは凸多角形の断面を持つトレンチセルを周期的に配置してもよい。
実施例４に示した製造方法によれば、図１４に示したように、トレンチ２４側壁の注入面およびその対向面共、深さ方向に均一なイオン注入量になっていることが分かる。この結果、超接合ＭＯＳＦＥＴの耐圧を小さいばらつきで作製することが可能となる。

図１６−１、図１６−２は本発明の実施例５にかかる半導体装置の製造方法を説明するための半導体シリコン基板の要部断面図である。
不純物濃度２×１０^１８ｃｍ^−３程度のｎ型低抵抗シリコン基板４１上に、不純物濃度１×１０^１４ｃｍ^−３程度、厚さ５０μｍ程度のｎ型エピタキシャル成長を行う。前記エピタキシャル成長は、ｐ型であっても良いが、不純物濃度は１×１０^１４ｃｍ^−３以下であったほうが、耐圧構造の作製を行いやすい。次に、形成されたエピタキシャル成長層４２表面に、熱酸化により、１．６μｍ程度の酸化膜４３を形成し、前記酸化膜４３をパターニングし、これをハードマスクとして幅６μｍ程度、深さ５０μｍ程度のトレンチ４４を１６μｍ程度の周期で形成する（図１６−１（ａ））。前記トレンチ４４は、ＲＩＥ法などのドライエッチングにより、垂直に近い形状に形成する。また、前記トレンチ４４の形成工程において、トレンチ４４は図８（ａ）に示すようなストライプ状に形成する。次に、１００Ｔｏｒｒ（＝１００×１３３．３２Ｐａ）以下の減圧水素雰囲気下で、摂氏１０００度以上の高温で５分程度の熱処理を行う。この熱処理の結果、トレンチ内表面の平滑度が図１７のＡＦＭ（原子間力顕微鏡）による熱処理前の（ａ）から熱処理後の（ｂ）の拡大断面図に示すように原子レベルで高くなっていることが分かる。次に、ｐ型不純物として、たとえば、ホウ素（Ｂ）イオンをウエハに垂直な方向に対して２度から５度程度傾けて照射する。イオン照射はトレンチ４４の片側の側壁に対して行い、加速電圧は４５ｋｅＶ程度、ドーズ量は２．５×１０^１３ｃｍ^−２程度である（図１６−１（ｂ））。次に、照射角を１２度から１５度傾けて加速度を４５ｋｅＶ程度、ドーズ量は３×１０^１２ｃｍ^−２程度としてリン（Ｐ）イオンを照射する。次に、ｎ型不純物として、たとえば、リン（Ｐ）イオンをウエハに垂直な方向に対して２度から５度程度傾けて照射する。イオン照射はホウ素イオンを照射した面の反対面に対して行い、加速電圧は４５ｋｅＶ程度、ドーズ量は２．５×１０^１３ｃｍ^−２程度である（図１６−２（ｃ））。また、前記のホウ素（Ｂ）ならびにリン（Ｐ）のイオン注入は、どちらを先に行ってもよいし、また、同一チャンバーで連続的に処理を行ってもよい。次に、温度１１５０℃程度、Ｎ_２雰囲気下で１５００分程度のアニールを行い、ｐ層、ｎ層とする（図１６−２（ｄ））。以下、トレンチ４４内部を酸化膜で埋め込み、表面をＣＭＰによって平坦化し、表面にＭＯＳゲート構造ならびにソース電極およびドレイン電極を追加することにより超接合ＭＯＳＦＥＴが完成する（図示せず）。

実施例５において、トレンチ４４はストライプ状に形成しているが、図８（ａ）に示すような円もしくは凸多角形の断面を持つトレンチセルを周期的に配置してもよい。その場合、前記イオン照射工程は、前述と同様に、トレンチウエハに垂直な方向に対する照射角度を一定に保ちながら、イオンビームまたはウエハを、連続的または断続的に回転させて行う。

実施例５に示した製造方法によれば、図１４に示したように、トレンチ２４側壁の注入面およびその対向面共、深さ方向に均一なイオン注入量になっていることが分かる。この結果、超接合ＭＯＳＦＥＴの耐圧を小さいばらつきで作製することが可能となる。
以上説明した実施例１〜５では、特定の実施形態について本発明を説明してきたが、本発明はその他多くの自明な変形、変更ならびに用途を含むものであり、本実施例は本発明をなんら限定するものではない。

本発明の半導体装置の製造方法の実施例１にかかる超接合半導体装置の要部断面図である（その１）。 本発明の半導体装置の製造方法の実施例１にかかる超接合半導体装置の要部断面図である（その２）。 本発明の半導体装置の製造方法の実施例２による異なる超接合半導体装置の要部断面図である（その１）。 本発明の半導体装置の製造方法の実施例２による異なる超接合半導体装置の要部断面図である（その２）。 トレンチ幅とイオン照射角との関係を示す要部断面図である。 イオン照射角５度におけるトレンチ側壁の深さ方向のイオン注入量分布を表す分布図である。 大きいイオン照射角の場合示すシリコン基板の要部断面図である。 イオン照射角１５度におけるトレンチ側壁の深さ方向のイオン注入量分布を表す分布図である。 本発明にかかるトレンチ側壁の深さ方向のイオン注入量分布を表す分布図である。 本発明にかかるトレンチの平面図である。 従来の製造方法による超接合半導体装置の要部断面図である（その１）。 従来の製造方法による超接合半導体装置の要部断面図である（その２）。 従来の製造方法による超接合半導体装置の要部断面図である（その１）。 従来の製造方法による超接合半導体装置の要部断面図である（その２）。 従来の製造方法による超接合半導体装置の要部断面図である。 イオン注入量とイオン照射エネルギーとの関係図である。 本発明の半導体装置の製造方法（実施例３）による異なる超接合半導体装置の要部断面図である。 本発明にかかるトレンチ側壁の両面（照射面と反対面）の深さ方向のイオン注入量分布を表す分布図である。 本発明の半導体装置の製造方法（実施例４）による異なる超接合半導体装置の要部断面図である（その１）。 本発明の半導体装置の製造方法（実施例４）による異なる超接合半導体装置の要部断面図である（その２）。 本発明の半導体装置の製造方法（実施例５）による異なる超接合半導体装置の要部断面図である（その１）。 本発明の半導体装置の製造方法（実施例５）による異なる超接合半導体装置の要部断面図である（その２）。 トレンチ形成直後と水素アニール（高温水素熱処理）後の、それぞれの側壁面のＡＦＭによる拡大要部断面図である。 トレンチ側壁の、イオン注入における照射面とその反対面におけるイオン照射エネルギーと側壁イオン注入量との関係図である。

符号の説明

１、１１、２１、３１、４１… ｎ^＋シリコン基板、
２、１２、２２、３２、４２… シリコンエピタキシャル成長層、
３、１３、２３、３３、４３… シリコン酸化膜、
４、１４、２４、３４、４４… トレンチ、
５、１５… イオン注入層。

Claims (11)

1. 一方の主面に深さｄ／幅ｗの比が８より大きいトレンチが形成された半導体基板に、前記一方の主面の垂直軸に対して所定の傾斜角θでイオン注入プロセスを行って前記トレンチ内の側壁にイオン注入層を形成する工程を備える半導体装置の製造方法において、前記イオン注入プロセスが、少なくとも、
   ｗ／ｔａｎθ_１≧ｄ／２
   を満たすイオン注入傾斜角θ_１をもつイオン注入プロセスと
   ｗ／ｔａｎθ_２≦ｄ／２
   を満たすイオン注入傾斜角θ_２をもつイオン注入プロセスとを同一のイオン種により行う複数回のイオン注入プロセスで行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記半導体基板が一導電型の低抵抗半導体基板上に堆積された半導体エピタキシャル成長層を備えるものであることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記半導体エピタキシャル成長層が一導電型であって、該成長層に形成された前記トレンチ内の側壁へ傾斜角の異なる複数回のイオン注入により他導電型の不純物拡散層を形成することを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記トレンチ内の側壁への傾斜角の異なる複数回のイオン注入が前記側壁の両側にそれぞれ行われることを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記側壁の両側にそれぞれ行われる傾斜角の異なる複数回のイオン注入が前記半導体基板に垂直な方向に対する傾斜角とイオン注入エネルギーとイオン注入時間が同じ条件で同一のイオン種を用いることを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記半導体エピタキシャル成長層に形成された前記トレンチの側壁へ、イオン注入により導入される不純物が複数であって、それぞれ異なる導電型と異なる拡散係数を有し、かつそれぞれ傾斜角の異なる複数回のイオン注入が行われることを特徴とする請求項1または２記載の半導体装置の製造方法。
7. 前記トレンチの平面形状がストライプ状であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記トレンチは、平面形状が円形もしくは多角形であり、前記半導体基板の一方の主面に所定の表面間隔で配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
9. 前記傾斜角の異なる複数回のイオン注入はそれぞれ、基板に垂直な方向に対する傾斜角を一定に保ちながら、イオン注入ビームまたは半導体基板を、連続的または断続的に回転させて行うことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
10. 前記トレンチの平面形状における幅または直径が６μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
11. 前記イオン注入プロセスの前に、トレンチ内の側壁を熱処理で平滑化することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。

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