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  • 特許-半導体デバイス及びその製造方法 図1
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-09-21
(45)【発行日】2022-09-30
(54)【発明の名称】半導体デバイス及びその製造方法
(51)【国際特許分類】
   H01L 21/336 20060101AFI20220922BHJP
   H01L 29/78 20060101ALI20220922BHJP
   H01L 29/41 20060101ALI20220922BHJP
【FI】
H01L29/78 301D
H01L29/44 Y
【請求項の数】 13
(21)【出願番号】P 2021504447
(86)(22)【出願日】2019-07-26
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2021-11-25
(86)【国際出願番号】 CN2019097836
(87)【国際公開番号】W WO2020020328
(87)【国際公開日】2020-01-30
【審査請求日】2021-02-17
(31)【優先権主張番号】201810840983.8
(32)【優先日】2018-07-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN
(73)【特許権者】
【識別番号】512154998
【氏名又は名称】無錫華潤上華科技有限公司
【氏名又は名称原語表記】CSMC TECHNOLOGIES FAB2 CO., LTD.
【住所又は居所原語表記】No.8 Xinzhou Road Wuxi New District,Jiangsu 214028 China
(74)【代理人】
【識別番号】110001210
【氏名又は名称】特許業務法人YKI国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ジン フゥアジュン
【審査官】市川 武宜
(56)【参考文献】
【文献】特開2015-162581(JP,A)
【文献】特開平07-135249(JP,A)
【文献】特開2017-028116(JP,A)
【文献】特開2003-332424(JP,A)
【文献】国際公開第2010/013683(WO,A1)
【文献】特開2011-171638(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01L 21/336
H01L 29/41
H01L 29/78
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ドリフト領域と、
上記ドリフト領域に接しており、第1アイソレーション層、その第1アイソレーション層上に形成された孔エッチング停止層、並びにその孔エッチング停止層上に形成された第2アイソレーション層を備えるアイソレーション構造と、
上記孔エッチング停止層の上方に配置されその孔エッチング停止層に接している孔フィールドプレートと、
ポリシリコンゲート及びポリシリコンフィールドプレートが備わるポリシリコン構造と、を備え、
上記孔フィールドプレートは、上記ポリシリコン構造と直接接触しておらず、
上記第1アイソレーション層の厚さは、半導体デバイスに要求される耐圧に応じて設定されている、
半導体デバイス。
【請求項2】
請求項1に係る半導体デバイスであって、上記アイソレーション構造がシャロウトレンチアイソレーション構造であり、上記第1アイソレーション層及び上記第2アイソレーション層が酸化シリコンで作成されている半導体デバイス。
【請求項3】
請求項2に係る半導体デバイスであって、上記孔エッチング停止層が窒素含有化合物で作成されている半導体デバイス。
【請求項4】
請求項1に係る半導体デバイスであって、更に金属層を備え、上記孔フィールドプレートの頂部がその金属層に接続されている半導体デバイス。
【請求項5】
請求項に係る半導体デバイスであって、更に、上記アイソレーション構造・上記金属層間に配置された層間誘電体を備え、上記孔フィールドプレートがその層間誘電体を縦貫して延びそれら金属層及びアイソレーション構造を接続している半導体デバイス。
【請求項6】
請求項に係る半導体デバイスであって、横拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタである半導体デバイス。
【請求項7】
請求項に係る半導体デバイスであって、更にドレイン領域及びソース領域を備え、上記ポリシリコンゲートがドレイン領域・ソース領域間領域の上方に所在しており、そのドレイン領域が上記ドリフト領域内に所在しており、そのドレイン領域が上記アイソレーション構造からみて当該ポリシリコンゲートとは逆側に所在している半導体デバイス。
【請求項8】
請求項に係る半導体デバイスであって、更に、第2導電型の基板と、その基板内に形成された第2導電型のウェル領域と、を備え、上記ポリシリコンゲートから見て上記アイソレーション構造とは逆の側が当該第2導電型のウェル領域上まで延びており、上記ドリフト領域が第1導電型であり、そのドリフト領域が当該基板内に所在している半導体デバイス。
【請求項9】
請求項に係る半導体デバイスであって、更に、第2導電型の上記ウェル領域内に所在する第2導電型のドープト領域を備え、その第2導電型のドープト領域が、上記ソース領域を挟み上記ポリシリコンゲートから離れた側に所在している半導体デバイス。
【請求項10】
請求項に係る半導体デバイスであって、第1導電型がN型、第2導電型がP型である半導体デバイス。
【請求項11】
半導体デバイスを製造する方法であって、
基板の表面上にトレンチを形成し、
そのトレンチの内表面上に第1アイソレーション層を形成し、
その第1アイソレーション層上に孔エッチング停止層を形成し、
上記トレンチ内の残余領域に第2アイソレーション層を形成し、
これら第1アイソレーション層、孔エッチング停止層及び第2アイソレーション層が備わるアイソレーション構造と接するドリフト領域を形成し、
上記第2アイソレーション層を貫き上記孔エッチング停止層まで延びるフィールドプレート孔をエッチングによって形成し、
上記フィールドプレート孔内に素材を充填することで孔フィールドプレートを形成し、
ポリシリコンを堆積して、ポリシリコンゲート及びポリシリコンフィールドプレートを含むポリシリコン構造を形成し、
上記フィールドプレート孔は、上記ポリシリコン構造と直接接触しておらず、
上記第1アイソレーション層の厚さは、半導体デバイスに必要な耐圧に応じて設定される、方法。
【請求項12】
請求項11に係る方法であって、更に、上記アイソレーション構造上に層間誘電体を形成する工程を有し、上記フィールドプレート孔をエッチングによって形成する上掲の工程にて、その層間誘電体を縦貫するエッチングの後に、続いて上記第2アイソレーション層を下方に向かい上記孔エッチング停止層までエッチングする方法。
【請求項13】
請求項11に係る方法であって、上記トレンチの内表面上に上記第1アイソレーション層を形成する上掲の工程にて、酸化シリコンを熱成長させる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本願は半導体製造の分野、とりわけ半導体デバイスに関し、更にはその半導体デバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
高めな絶縁破壊電圧(BV)が必要とされる半導体デバイス、例えば電力デバイスでは、それらの絶縁破壊電圧を高めるため、フィールドプレート構造が用いられることがある。フィールドプレートの構造及び製造プロセスをより一層改善することで、より良好な絶縁破壊電圧向上効果を得ることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
このように、半導体デバイス及びその製造方法を提供することが求められている。
【課題を解決するための手段】
【0004】
半導体デバイスであって、ドリフト領域と、そのドリフト領域に接しており第1アイソレーション層、第1アイソレーション層上に形成された孔エッチング停止層、並びに孔エッチング停止層上に形成された第2アイソレーション層を有するアイソレーション構造と、孔エッチング停止層の上方に配置されその孔エッチング停止層に接している孔フィールドプレートと、を有するものである。
【0005】
半導体デバイス製造方法であって、基板の表面上にトレンチを形成し、そのトレンチの内表面上に第1アイソレーション層を形成し、第1アイソレーション層上に孔エッチング停止層を形成し、そのトレンチ内の残余領域に第2アイソレーション層を形成し、これら第1アイソレーション層、孔エッチング停止層及び第2アイソレーション層を有するアイソレーション構造と接するドリフト領域を形成し、第2アイソレーション層を縦貫し孔エッチング停止層へと延びるフィールドプレート孔をエッチングによって形成し、そしてフィールドプレート孔内に素材を充填することで孔フィールドプレートを形成する方法である。
【発明の効果】
【0006】
上掲の半導体デバイス及び半導体デバイス製造方法では、アイソレーション構造に接続された孔フィールドプレートを形成し、それを助力としてドリフト領域を欠乏させることができるので、そのデバイスの絶縁破壊電圧を効果的に改善することができる。孔エッチング停止層がアイソレーション構造内に形成されるので、孔フィールドプレートが下方に延びて到達する孔エッチング停止層の位置を正確に制御すること並びに孔フィールドプレートの下方にあるアイソレーション構造の厚みを第1アイソレーション層の厚みとなるよう制御することで、ドリフト領域を欠乏させるのを助けるという孔フィールドプレートの効果が孔フィールドプレートの深過ぎ又は浅過ぎにより期待から外れないようにすることができる。そのため、デバイスの安定性及び均一性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
図1】実施形態に係る半導体デバイスの断面構造模式図である。
図2】実施形態に係る半導体デバイス製造方法のフローチャートである。
図3a図2に示した方法による製造プロセスの途上での半導体デバイスの断面構造模式図である。
図3b図2に示した方法による製造プロセスの途上での半導体デバイスの断面構造模式図である。
図3c図2に示した方法による製造プロセスの途上での半導体デバイスの断面構造模式図である。
図3d図2に示した方法による製造プロセスの途上での半導体デバイスの断面構造模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
本件開示についての理解を容易化するため、以下、関連する添付図面を参照して本件開示をより全面的に記述する。本件開示の好適諸実施形態をそれら図面にて描出する。とはいえ、本件開示は多様な形態で実施しうるので、本願記載の諸実施形態には限定されない。逆に、それら実施形態の提示は、本件開示により開示されるコンテンツのより全面的且つ徹底的な理解を支援するためのものである。
【0009】
別様に定義されていない限り、本願にて用いられている技術用語及び科学用語は全て、本件開示の技術分野に習熟した者(いわゆる当業者)が一般に了解しているそれと同じ意味とする。本件開示の明細書にて用いられている語は、専ら具体的諸実施形態を記述することを目的としており、本件開示を限定することを意図していない。本願にて用いられている語「及び/又は」は、列記されている1個又は複数個の関連項目の組合せをもれなく全て包含するものである。
【0010】
本願にて用いられている半導体分野関連語は、いわゆる当業者が常用している技術用語である。例えば、P型及びN型不純物に関しては、ドーピング濃度を区別するため、ドーピング濃度がヘビーなP型を専らP+型と表し、ドーピング濃度が中庸なP型をP型と表し、ドーピング濃度がライトなP型をP-型と表し、ドーピング濃度がヘビーなN型をN+型と表し、ドーピング濃度が中庸なN型をN型と表し、ドーピング濃度がライトなN型をN-型と表している。
【0011】
図1は実施形態に係る半導体デバイスの断面構造模式図である。本半導体デバイスはドリフト領域120、アイソレーション構造130及び孔フィールドプレート180を有している。アイソレーション構造130はドリフト領域120に接している。アイソレーション構造130は第1アイソレーション層132、第1アイソレーション層132上に形成された孔エッチング停止層134、並びに孔エッチング停止層134上に形成された第2アイソレーション層136を有している。孔フィールドプレート180は、孔エッチング停止層134の上方に配置され且つ孔エッチング停止層134に接している。図1に示す実施形態では、断面に沿いドリフト領域120がアイソレーション構造130を取り巻いており、孔フィールドプレート180が下方に延び孔エッチング停止層134に至っている。
【0012】
上掲の半導体デバイスは、アイソレーション構造130に接続された孔フィールドプレート180を有している。アイソレーション構造130がドリフト領域120に接しているため、孔フィールドプレート180を助力としてドリフト領域120を欠乏させることができ、それにより同デバイスの絶縁破壊電圧を効果的に改善することができる。孔エッチング停止層134がアイソレーション構造130内に形成されているので、孔フィールドプレート180が孔エッチング停止層134の位置まで下方に延びるよう正確に制御すること、並びに孔フィールドプレート180の下方にあるアイソレーション構造130の厚みが第1アイソレーション層132の厚みとなるよう制御することで、ドリフト領域120の欠乏を助けるという孔フィールドプレート180の効果が孔フィールドプレート180の深過ぎや浅過ぎにより期待から外れる(即ち孔の深さが設計値から逸れる)ことがないようにすることができる。そのため、本デバイスの安定性及び均一性を保証することができる。
【0013】
アイソレーション構造130は、従来のアイソレーション構造内に、別素材で作成された孔エッチング停止層134を付加したものである。即ち、絶縁素材A製のアイソレーション構造内に素材B製の孔エッチング停止層を付加したものである。必須とされるのは素材B・絶縁素材A間エッチング選択性を高めにすることであり、そうすることで、エッチングによる孔フィールドプレート180(向けの孔)の形成時に、第2アイソレーション層136がエッチングされた後で孔エッチング停止層134にてエッチングを停止させることができる。
【0014】
孔エッチング停止層134がアイソレーション構造130自体の性能に影響を及ぼさないようにするため、孔エッチング停止層134を比較的薄く作成すべきである。無論、エッチングによる孔フィールドプレート180の形成時に、合理的なエッチング時間の範囲内ではそのエッチングにより孔エッチング停止層134が縦貫エッチングされないようにすることが前提である。
【0015】
ある実施形態によれば、アイソレーション構造130がシャロウトレンチアイソレーション構造(STI)とされる。第1アイソレーション層132及び第2アイソレーション層136は酸化シリコン、例えば二酸化シリコンで作成する。
【0016】
ある実施形態によれば、孔エッチング停止層134が窒素含有化合物、例えば窒化シリコンで作成される。
【0017】
ある実施形態によれば、孔フィールドプレート180が絶縁素材で作成される。即ち、孔内に充填される素材が絶縁素材とされる。
【0018】
ある実施形態によれば、本半導体デバイス内に更に金属層(図1には示さず)が設けられる。孔フィールドプレート180の頂部がその金属層に接続される。ある実施形態によれば、本半導体デバイスに、更に層間誘電体(ILD)190が設けられ、アイソレーション構造130・上記金属層間に配置される。孔フィールドプレート180が層間誘電体190を貫いて延びその金属層とアイソレーション構造130とを接続する。
【0019】
層間誘電体190は、本件技術分野にて既知であり層間誘電体として用いられる素材、例えばリンケイ酸ガラス(PSG)やホウリンケイ酸ガラス(BPSG)により作成することができる。
【0020】
ある実施形態によれば、本半導体デバイス内に更にポリシリコン構造174が設けられる。ポリシリコン構造174は、ゲート酸化物層172上に所在するポリシリコンゲートと、アイソレーション構造130まで延びるポリシリコンフィールドプレートとを有する。
【0021】
ある実施形態によれば、本半導体デバイスが横拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(LDMOSFET)とされる。
【0022】
図1に示す実施形態では、半導体デバイスがドレイン領域142及びソース領域162を有している。ポリシリコンゲートはドレイン領域142・ソース領域162間領域の上方に所在している。ドレイン領域142はドリフト領域120内に所在しており、ドレイン領域142はアイソレーション構造130から見てポリシリコンゲートとは逆側に所在している(図1ではドレイン領域142がアイソレーション構造130の右側、ポリシリコンゲートがアイソレーション構造130の左側に所在している)。
【0023】
図1に示す実施形態では、第1導電型のドリフト領域120が第2導電型の基板110内に所在している。本半導体デバイスは、更に、基板110内に形成された第2導電型のウェル領域150を有している。ポリシリコンゲートのうちアイソレーション構造130とは逆側の部分が、第2導電型のウェル領域150上まで延びている。
【0024】
図1に示す実施形態では、半導体デバイスが更に、第2導電型のウェル領域150内に所在する第2導電型のドープト領域164を有している。第2導電型のドープト領域164は、ソース領域162から見てポリシリコンゲートから離れた側に所在している。
【0025】
図1に示す実施形態にて、孔フィールドプレート180がある孔は、コンタクトホール(CT)である。
【0026】
ある実施形態によれば、第1導電型がN型、第2導電型がP型とされる。図1に示す実施形態では基板110がP型基板(P_Sub)、ドリフト領域120がN型ドリフト領域(N_Drift)とされている。第2導電型のウェル領域150はPウェル(PW)である。ドレイン領域142はN+ドレイン領域である。ソース領域162はN+ソース領域である。第2導電型のドープト領域164はP+領域である。
【0027】
他の諸実施形態では第1導電型がP型、第2導電型がN型とされうる。
【0028】
本願では、上掲の諸実施形態のうち何れかの半導体デバイスの製造に用いうる半導体デバイス製造方法も提供される。図2は実施形態に係る半導体デバイス製造方法のフローチャートである。本方法は以下の諸工程を有している。
【0029】
S210では基板の表面上にトレンチを形成する。
【0030】
トレンチは、そのトレンチ内にアイソレーション構造を形成しうるように形成する。ある実施形態によれば、トレンチをエッチングプロセスにより形成することができる。
【0031】
図3aに示すように、ある実施形態によれば、ハードマスク112をマスクとして用いトレンチ131のエッチングが行われる。例えば、窒化シリコンをハードマスク112として用いエッチング窓、即ちトレンチ131が形成されるべき窓を、フォトリソグラフィにより露出させた上で、そのエッチング窓にある窒化シリコンをエッチングにより除去し、そして下方へのエッチングによりトレンチ131を形成する。
【0032】
S220では、そのトレンチの内表面上に第1アイソレーション層を形成する。
【0033】
図3aに示すように、本実施形態では第1アイソレーション層132を酸化シリコン、例えば二酸化シリコンで作成している。図3aに示す実施形態では、本工程にて、熱酸化により基板110上に酸化物層を成長させている。図3aに示す実施形態では、更に、第1アイソレーション層132をハードマスク112の下方にも成長させている。
【0034】
S230では、その第1アイソレーション層上に孔エッチング停止層を形成する。
【0035】
図3bに示すように、ある実施形態によれば、孔エッチング停止層134が堆積プロセスにより形成される。操作の容易さに鑑み、図3bに示す実施形態では、堆積による孔エッチング停止層134がハードマスク112上にも形成されている。
【0036】
S240では、そのトレンチ内の残余領域に第2アイソレーション層を形成する。
【0037】
トレンチが完全に満たされるようにするため、図3cに示す実施形態では第2アイソレーション層136を過堆積させている。即ち、第2アイソレーション層136の堆積厚を、トレンチ充填に必要な厚みより大きくしてある。形成された第2アイソレーション層136により、トレンチ内の孔エッチング停止層134に加え、トレンチ外の孔エッチング停止層134が覆われている。これら第1アイソレーション層132、孔エッチング停止層134及び第2アイソレーション層136の協働によりアイソレーション構造が形成されている。
【0038】
図3dに示す実施形態では、工程S240完遂後に基板の表面を平坦化している。例えば、第1アイソレーション層132のうち一部分を、化学機械研磨(CMP)を用い除去する。その上で、基板110上のハードマスク112、第2アイソレーション層136、孔エッチング停止層134及び第1アイソレーション層132を(トレンチ内のアイソレーション構造がエッチング除去されないようエッチングプロセスにより)剥離させる。最終的には、図3dに示す構造が得られる。
【0039】
S250ではドリフト領域を形成する。
【0040】
ドリフト領域はアイソレーション構造に接触させる。本実施形態では、アイソレーション構造が形成された後(即ち第1アイソレーション層132、孔エッチング停止層134及び第2アイソレーション層136が形成された後)にドリフト領域を形成している。他の諸実施形態では、ドリフト領域をまず形成してからアイソレーション構造を形成することもある。
【0041】
S260ではエッチングによりフィールドプレート孔を形成する。
【0042】
フィールドプレート孔のエッチング時には、その孔の深さを孔エッチング停止層134によって制御する。そのために必須なのは、孔エッチング停止層134を形成する素材と第2アイソレーション層136を形成する素材との間のエッチング選択性を高めにすることで、第2アイソレーション層136の縦貫エッチング後に孔エッチング停止層134にてそのエッチングが止まるようにすることである。ある実施形態によれば、第2アイソレーション層136が酸化シリコン、例えば二酸化シリコンで作成される。孔エッチング停止層134は窒素含有化合物、例えば窒化シリコンで作成される。
【0043】
S270では、そのフィールドプレート孔内に素材を充填することで孔フィールドプレートを形成する。
【0044】
上掲の半導体デバイスは、孔フィールドプレートをアイソレーション構造に接続することで形成されている。そのアイソレーション構造がドリフト領域に接しているので、孔フィールドプレートを助力にしてドリフト領域を欠乏させることができ、それにより同デバイスの絶縁破壊電圧を効果的に改善することができる。孔エッチング停止層134がアイソレーション構造内に形成されているので、孔フィールドプレートが下方に延びて達する位置を正確に制御すること、並びに孔フィールドプレートの下方にあるアイソレーション構造の厚みを第1アイソレーション層132の厚みとなるよう制御することで、ドリフト領域の欠乏を助けるという孔フィールドプレートの効果がその孔フィールドプレートの深過ぎや浅過ぎにより期待から外れる(即ち孔の深さが設計値から逸れる)ことがないようにすることができる。そのため、同デバイスの安定性及び均一性を保証することができる。
【0045】
孔フィールドプレートがドリフト領域に及ぼす欠乏効果が、孔フィールドプレートより下方にあるアイソレーション構造の厚みと関連しているので、そのデバイスの所要絶縁破壊電圧に従い第1アイソレーション層132の所要厚を事前計算(或いは他手段により第1アイソレーション層132の所要厚を事前計算)することができる。工程S220では酸化シリコンをその所要厚に従い成長させる。加えて、工程S230にて形成された孔エッチング停止層134を用い第1アイソレーション層132が第2アイソレーション層136から分離されるので、第1アイソレーション層132の所要厚を事前制定することができ、ひいては第1アイソレーション層132の厚みを効果的に制御することができる。
【0046】
ある実施形態によれば、その半導体デバイスが横拡散金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(LDMOSFET)とされる。
【0047】
ある実施形態によれば、工程S240の後に、ウェルインプランテーション、ゲート酸化、ポリシリコン堆積、ソース/ドレインインプランテーション等のプロセスも組み込まれる。ご理解頂くべきことに、これらの工程は本件技術分野で既知な諸方法により実行することができる。
【0048】
ある実施形態によれば、アイソレーション構造上に層間誘電体を形成する工程も組み込まれる。工程S260では、層間誘電体縦貫エッチングの後に、続いて第2アイソレーション層136を下方に向かい孔エッチング停止層134までエッチングする。ある実施形態によれば、アイソレーション構造上に層間誘電体を形成した後、その層間誘電体上に金属層を形成する工程も組み込まれる。孔フィールドプレートの頂部をその金属層に接続する。
【0049】
その層間誘電体は、本件技術分野で既知であり層間誘電体として用いられる素材、例えばリンケイ酸ガラス(PSG)やホウリンケイ酸ガラス(BPSG)で作成することができる。
【0050】
孔エッチング停止層134がアイソレーション構造自体の性能に影響を及ぼさないようにするには、工程S230にて孔エッチング停止層134を比較的薄く作成すべきである。無論、工程S230でのエッチング時間が合理的な範囲内であるときに孔エッチング停止層134が縦貫エッチングされないようにすることが前提である。
【0051】
上述の諸実施形態では本件開示の実現形態を数個しか描いておらず、またそれについての記述が割合に具体的且つ詳細なものであったが、それを以て本件開示の技術的範囲に対する制限として解すべきではない。注記すべきことに、いわゆる当業者であれば、本件開示の概念から離隔することなく、幾通りかの修正及び改善をなすことができ、そうしたものが全て本件開示の保護範囲内に入ってくる。従って、本件開示の保護範囲は添付する特許請求の範囲に従うものとする。
図1
図2
図3a
図3b
図3c
図3d