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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】2024-04-08
(45)【発行日】2024-04-16
(54)【発明の名称】半導体集積回路
(51)【国際特許分類】
   H01L 21/76 20060101AFI20240409BHJP
   H01L 29/861 20060101ALI20240409BHJP
   H01L 29/868 20060101ALI20240409BHJP
   H01L 29/06 20060101ALI20240409BHJP
   H01L 27/088 20060101ALI20240409BHJP
   H01L 21/336 20060101ALI20240409BHJP
   H01L 29/78 20060101ALI20240409BHJP
【FI】
H01L21/76 L
H01L29/91 C
H01L29/06 301M
H01L27/088 331A
H01L29/78 301R
【請求項の数】 5
(21)【出願番号】P 2020167337
(22)【出願日】2020-10-01
(65)【公開番号】P2022059520
(43)【公開日】2022-04-13
【審査請求日】2023-05-26
(73)【特許権者】
【識別番号】000003551
【氏名又は名称】株式会社東海理化電機製作所
(74)【代理人】
【識別番号】110001519
【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】片岡 良一
【審査官】宇多川 勉
(56)【参考文献】
【文献】特開平05-175325(JP,A)
【文献】特開平02-248063(JP,A)
【文献】特開2004-047624(JP,A)
【文献】特開昭59-155917(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01L 21/76
H01L 29/78
H01L 29/861
H01L 29/06
H01L 27/088
H01L 21/336
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1の面に素子領域が形成された半導体基板と、
前記素子領域を絶縁分離する溝部であって、前記溝部の内壁に沿って形成された絶縁膜、および前記絶縁膜上に形成された複数の層を含む積層膜を備えた溝部と、
前記半導体基板の第2の面に形成された前記積層膜と、を含み、
前記複数の層が、少なくとも、不純物の添加されていない所定の材料、予め定められた極性の不純物が添加された前記所定の材料、および不純物の添加されていない前記所定の材料をこの順で含む
半導体集積回路。
【請求項2】
前記素子領域がp型不純物領域およびn型不純物領域を含み、
前記溝部は前記p型不純物領域および前記n型不純物領域を囲んで形成され、
ダイオードとして機能する
請求項1に記載の半導体集積回路。
【請求項3】
前記素子領域が、ソースとして機能するソース不純物領域、ドレインとして機能するドレイン不純物領域、およびゲート領域を含み、
前記溝部は前記ソース不純物領域、ドレイン不純物領域、およびゲート領域を囲んで形成され、
MOSトランジスタとして機能する
請求項1に記載の半導体集積回路。
【請求項4】
前記素子領域が少なくとも2つトランジスタが形成された領域であり、
前記溝部は前記2つのトランジスタの間に配置され前記2つトランジスタを分離する機能を有する
請求項1に記載の半導体集積回路。
【請求項5】
前記所定の材料がポリシリコンである
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の半導体集積回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体集積回路に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体集積回路における素子分離構造の一例として、トレンチ(溝)分離構造が知られている。素子分離構造とは、隣接する素子間でのリーク電流を防ぎ、耐圧を確保するための半導体集積回路の素子分離技術である。トレンチ分離とは、半導体集積回路内の素子の周囲に、例えば絶縁物を充填した溝(トレンチ)を配置して素子同士を分離する技術であり、STI(Shallow Trench Isolation)、DTI(Deep Trench Isolation)等が知られている。また、トレンチ分離技術は、トレンチゲート型トランジスタ等の縦型半導体集積回路にも用いられている。
【0003】
トレンチゲート型の半導体集積回路に関連する文献として、例えば特許文献1が知られている。特許文献1に開示されたトレンチゲート型半導体装置では、交差トレンチの形成方法として、二重トレンチ構造としたゲートトレンチを形成した後に、ゲートトレンチをマスク材料で埋め戻し、その後、当該マスク材料をパターニングして、交差トレンチを形成するためのマスクとして用い、ゲートトレンチに交差する交差トレンチをゲートトレンチよりも深く設け、交差トレンチ底部にショットキー電極を設けている。特許文献1では、このような構成により、従来のものよりセルピッチを縮小することが可能な半導体装置を提供することができるとしている。
【0004】
また、トレンチ分離技術に関連した文献として、例えば特許文献2に開示された半導体装置の素子分離方法が知られている。特許文献2に開示されたスタックド-トレンチ型DRAMセルでは、トレンチの側壁を誘電ライニングでライニングし、その側壁と同様に低速拡散N-型不純物でドープされたトレンチの底を通してアクセストランジスタソース/ドレイン領域と電気的接触を行なう。特許文献2では、このような構成により、スタックド-トレンチ型DRAMセルの記憶ノードキャパシタプレートからそのセルのアクセストランジスタチャネル領域へのリン拡散の問題が解決されるとしている。
【0005】
さらに、特許文献3に開示された半導体集積回路装置の製造方法も知られている。特許文献3に開示された半導体集積回路装置の製造方法では、トレンチ型DRAMの記憶回路部の製造方法において、半導体基板に表面から内部に向かう浅溝および深溝を形成する工程と、半導体基板表面および浅溝並びに深溝の溝内壁に絶縁膜を形成する工程と、深溝にボロンおよび砒素をイオン注入し、浅溝にボロンをイオン注入する工程と、半導体基板表面にリンドープ多結晶シリコンを堆積し、かつ浅溝並びに深溝の内部にリンドープ多結晶シリコン膜を充填する工程と、リンドープ多結晶シリコン膜をエッチングし、浅溝並びに深溝の内部にのみリンドープ多結晶シリコン膜を残し、浅溝をトランスファゲートとし、深溝を容量とする工程と、全面に層間絶縁膜としてのBPSG膜を堆積する工程と、BPSG膜の所定の部分に、コンタクト溝を形成する工程と、ディジット線を形成する工程と、を含んでいる。特許文献3では、このような構成により、コンタクト溝側壁および周辺部でのWSi膜の形状を改善し、ディジット線の断線等の問題が解決されるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開2015-019092号公報
【文献】特開平06-053436号公報
【文献】特開平04-127468号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
ところで、所定の極性の不純物、例えばリンを含む材料、例えばリンドープポリシリコンが充填されたトレンチ分離構造の半導体集積回路では、製造プロセスにおいて、トレンチ内に酸化膜とリンドープポリシリコンの積層膜が形成されると同時に、半導体基板裏面にも当該積層膜が形成される。すなわち、複数の半導体ウェハを横にして半導体ウェハボートに縦に並べた状態で酸化膜を成膜するための熱酸化処理、あるいはリンドープポリシリコンを成膜するための気相成長を行うと、酸化膜-リンドープポリシリコンの積層膜がトレンチ内に形成されるとともに、半導体ウェハの裏面にも形成される。半導体ウェハの裏面に成膜される積層膜は、半導体ウェハ裏面側から酸化膜、リンドープポリシリコンの順で成膜されており、リンドープポリシリコンが外側の膜(外部に晒された膜)となっている。
【0008】
この場合、トレンチ内のリンドープポリシリコンに含まれるリンが、酸化膜を介してトレンチ外部の半導体基板中に拡散し、トレンチ分離の対象である回路素子の不純物領域に影響して回路素子の特性を変動させる場合があった。また、半導体基板裏面に形成されたリンドープポリシリコン中のリンが回り込んで当該半導体ウェハ自身の表面に付着することにより、当該半導体ウェハの特性変動を引き起こす場合があった。あるいはリンドープポリシリコン中のリンが、ウェハボートに配置された隣(下側)の半導体ウェハの表面に付着することにより、隣接した半導体ウェハの特性変動を発生させる場合もあった。
【0009】
図4を参照して、上記問題のうち、トレンチ内の酸化膜を介してリンが拡散される場合の問題点について説明する。図4は、トレンチを素子間分離に用いた比較例に係る半導体集積回路70を示している。図4に示すように半導体集積回路70は、p型半導体基板11、2つのMOSトランジスタ64A、64B、およびトレンチ部65Bを含んでいる。
MOSトランジスタ64Aおよび64Bの各々は、n+不純物領域61、ゲート酸化膜62、およびゲート電極63を備えている。トレンチ部65Bは、酸化膜12、および酸化膜12を介してトレンチ内に充填されたリンドープポリシリコン54を備えている。以上の構成を有する半導体集積回路70では、製造工程における熱処理工程を経ることでリンドープポリシリコン54中のリンが酸化膜12を介してp型半導体基板11中に拡散し、トレンチ部65Bの周辺部(側壁部、底部)にリンの層(拡散層CR)を形成する。当該拡散層CRによってMOSトランジスタ64AとMOSトランジスタ64Bとが導通するという問題である。この問題は素子間分離構造に限らず、周囲にトレンチ分離を備えたダイオード、ゲートがトレンチ構造となっている縦型トレンチゲートMOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタの場合も同様である。
【0010】
この点、上記特許文献1から特許文献3の各特許文献においては、トレンチ内に不純物が添加された材料を充填する技術事項が開示されているが、いずれも不純物がトレンチ外部に拡散することは想定しておらず、上記のような現象の解決を図ろうとするものではない。また、上記特許文献1から特許文献3の各特許文献においては、半導体集積回路の製造工程において、半導体ウェハの裏面に不純物層が形成されることについては問題としていない。
【0011】
本発明は、上記事実を考慮し、トレンチ分離構造を有する半導体集積回路において、当該半導体集積回路の特性変動を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明の第1実施態様に係る半導体集積回路では、第1の面に素子領域が形成された半導体基板と、素子領域を絶縁分離する溝部であって、溝部の内壁に沿って形成された絶縁膜、および絶縁膜上に形成された複数の層を含む積層膜を備えた溝部と、半導体基板の第2の面に形成された積層膜と、を含み、複数の層が、少なくとも、不純物の添加されていない所定の材料、予め定められた極性の不純物が添加された所定の材料、および不純物の添加されていない所定の材料をこの順で含む。
【0013】
第1実施態様に係る半導体集積回路によれば、積層膜が、予め定められた極性の不純物が添加された所定の材料を、両側から不純物の添加されていない所定の材料で挟む構造となっている。このため、予め定められた極性の不純物が外部に向かって拡散、あるいは飛散することがなく、その結果、半導体集積回路の特性の変動が抑制される。
【0014】
本発明の第2実施態様に係る半導体集積回路では、素子領域がp型不純物領域およびn型不純物領域を含み、溝部はp型不純物領域およびn型不純物領域を囲んで形成され、ダイオードとして機能する。
【0015】
第2の実施態様に係る半導体集積回路によれば、p型不純物領域およびn型不純物領域がダイオードを構成し、溝部がダイオードを囲んで形成されている。そして、積層膜が予め定められた極性の不純物が外部に向かって拡散、あるいは飛散することがないように構成されている。このため、ダイオードにおける耐圧の低下等の特性の変動が抑制される。
【0016】
本発明の第3実施態様に係る半導体集積回路では、素子領域が、ソースとして機能するソース不純物領域、ドレインとして機能するドレイン不純物領域、およびゲート領域を含み、溝部はソース不純物領域、ドレイン不純物領域、およびゲート領域を囲んで形成され、MOSトランジスタとして機能する。
【0017】
第3実施態様に係る半導体集積回路によれば、ソース不純物領域、ドレイン不純物領域、およびゲート領域がMOSトランジスタを構成し、溝部がMOSトランジスタを囲んで形成されている。そして、積層膜が予め定められた極性の不純物が外部に向かって拡散、あるいは飛散することがないように構成されている。このため、MOSトランジスタにおける閾値電圧の変動等の特性の変動が抑制される。
【0018】
本発明の第4実施態様に係る半導体集積回路では、素子領域が少なくとも2つトランジスタが形成された領域であり、溝部は2つのトランジスタの間に配置され2つトランジスタを分離する機能を有する。
【0019】
第4の実施態様に係る半導体集積回路によれば、2つの独立したトランジスタを含み、2つのトランジスタの間に配置された溝部が2つのトランジスタを分離する機能を有する。そして、積層膜が予め定められた極性の不純物が外部に向かって拡散、あるいは飛散することがないように構成されている。このため、半導体集積回路におけるトランジスタ同士の導通に起因する特性の変動が抑制される。
【0020】
本発明の第5実施態様に係る半導体集積回路では、予め定められた材料がポリシリコンである。
【0021】
第5実施態様に係る半導体集積回路によれば、予め定められた材料がポリシリコンとなっているので、溝部に電圧を印加する場合に好適である。
【発明の効果】
【0022】
本発明によれば、トレンチ分離構造を有する半導体集積回路において、当該半導体集積回路の特性変動を抑制することができる、という優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【0023】
図1】本発明の実施の形態に係る半導体集積回路の構成の一例を示す、(a)は断面図、(b)は平面図である。
図2】(a)から(d)は、比較例に係る半導体集積回路(ダイオード)の製造方法を示す断面図である。
図3】比較例に係る半導体集積回路(MOSトランジスタ)の構成を示す断面図である。
図4】比較例に係る半導体集積回路(素子分離構造)の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0024】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る半導体集積回路について説明する。
なお、各図面において同一または等価な構成要素および部分には同一の参照符号を付与し、重複する説明は適宜省略する。
【0025】
図1から図3を参照して、本実施の形態に係る半導体集積回路10について説明する。
半導体集積回路10は、本発明をダイオードに適用した形態であり、図1(a)は半導体集積回路10の断面図を、図1(b)は平面図を各々示している。図1に示すように、半導体集積回路10は、p型半導体基板11、「素子領域」としてのn+不純物領域16、「素子領域」としてのp+不純物領域17、および「溝部」としてのトレンチ部20を含んでいる。n+不純物領域がカソード領域を構成し、p+不純物領域がアノード領域を構成している。このカソード領域、アノード領域が形成されたp型半導体基板11の面が、本発明に係る「第1の面」、「第1の面」と反対側の面が本発明に係る「第2の面」(「裏面」とよぶ場合がある)である。
【0026】
本実施の形態に係るトレンチ部20は、トレンチの内部に形成された「絶縁膜」としての酸化膜12、および積層膜18を備えている。積層膜18は、外側から内側に向かってノンドープポリシリコン13、リンドープポリシリコン14、およびノンドープポリシリコン15が成膜された3層構造となっている。半導体集積回路10では、さらにp型半導体基板11の裏面にも積層膜19を備えている。積層膜19は、p型半導体基板11に近い側から外側に向かって、ノンドープポリシリコン13、リンドープポリシリコン14、およびノンドープポリシリコン15が成膜された3層構造となっている。
【0027】
ここで、トレンチによる素子分離構造を備えた半導体集積回路では、該トレンチに電源を接続し、電位を与えることが必要になる場合がある。その場合は、トレンチ内の充填物、例えばポリシリコンの電気抵抗を下げるために不純物を添加するのが一般的である。一方、トレンチ内に酸化膜を介してリンドープポリシリコンが形成された構成のトレンチ部では、上述したように、トレンチ内のリンドープポリシリコンに含まれるリンが、酸化膜を介してトレンチ外部の半導体基板に拡散し、トレンチ分離の対象である回路素子の不純物領域に影響して回路素子の特性を変動させる場合があった。また、半導体集積回路の製造プロセスにおいて、半導体基板裏面に形成されたリンドープポリシリコン中のリンが回り込んで当該半導体ウェハ自身の表面に付着することにより、当該半導体ウェハの特性変動を引き起こす場合があった。あるいはリンドープポリシリコン中のリンが、ウェハボートに配置された隣(下側)の半導体ウェハの表面に付着することにより、隣接した半導体ウェハの特性変動を発生させる場合もあった。
【0028】
図2を参照して、リンの回り込みによる半導体基板表面へのリンの付着の問題についてより詳細に説明する。図2は、図4に示す比較例に係る半導体集積回路70のトレンチ部65Bと同様の構成のトレンチ部65を備えた比較例に係る半導体集積回路50の製造プロセスの一部を示している。半導体集積回路50はダイオードの機能を有している。なお、半導体集積回路50の製造は、複数の半導体集積回路50が集積化された半導体ウェハの状態で行われるが、以下の説明では1個の半導体集積回路50に注目して説明する。
【0029】
図2(a)に示すように、p型半導体基板11の所定の位置にトレンチを形成した後熱酸化処理を行って酸化膜51を形成し、次いで気相成長等によりノンドープシリコンを成膜して、トレンチの内部を埋める。この際、同時にp型半導体基板11の裏面に、p型半導体基板に近い側から順に、酸化膜51、リンドープポリシリコン52が形成される。その後リンドープポリシリコンをエッチングして平坦化すると図2(a)に示す状態となる。
【0030】
次に、図2(b)に示すように、p型半導体基板11に熱Hを加えて熱処理を行う。この熱処理工程は、例えば、リンドープポリシリコン52の活性化工程、後のウェル形成工程における熱処理工程、MOSトランジスタの場合のゲート酸化膜形成工程における熱処理工程等である。
【0031】
上記のような熱処理工程を経ると、図2(c)に示すように、p型半導体基板11の表面にリンが付着した層(以下、「リン付着層」)53が形成される。これは、自身のp型半導体基板11の裏面に形成されたリンドープポリシリコン52中のリンが回り込んで付着する場合もあるし、同じ半導体ウェハボートに搭載された、例えば隣(上側)の半導体ウェハから飛来して付着する場合もある。また、図示を省略するが、本熱処理工程によって、酸化膜51を介してリンドープポリシリコン52中のリンがp型半導体基板11中に拡散し、上述した拡散層CRを形成する場合もある。
【0032】
その後、n+不純物領域16、p+不純物領域17等を形成して、図2(d)に示すダイオードとしての半導体集積回路50が製造される。しかしながら、半導体集積回路50では、p型半導体基板11の表面にリン付着層53が形成されており、リン付着層53がn型不純物領域として作用するため、半導体集積回路50の特性変動を招く場合がある。
特にn+不純物領域16とp+不純物領域17との間のリン付着層53Aによって、半導体集積回路50における耐圧の低下等の特性変動を招く場合がある。
【0033】
図3は、トレンチ部65Aを備えたMOSトランジスタの機能を有する半導体集積回路60の例であり、図4に示す半導体集積回路70のMOSトランジスタ64A、あるいは64Bと同様の構成となっている。また、トレンチ部65Aの構成は上記のトレンチ部65と同様である。半導体集積回路60の製造方法は、図2(c)まで半導体集積回路50と同様で、半導体集積回路60では、図2(c)の工程の後、ゲート電極、ソース、ドレイン等の形成を行う。半導体集積回路60でもリン付着層53が形成されるので特性変動を引き起こす場合があり、特にゲート酸化膜62直下のリン付着層53Bによって、閾値電圧(Vth)の変動等の特性変動が起こる恐れがある。
【0034】
そこで本実施の形態に係る半導体集積回路10では、トレンチ部20内の充填物を積層膜18とし、裏面に形成する膜を積層膜19とした。上記のように、積層膜18および積層膜19は、ノンドープポリシリコン13、リンドープポリシリコン14、およびノンドープポリシリコン15の3層構造となっている。このことによって、トレンチ部20においては、リンドープポリシリコン14の外側をノンドープポリシリコン13が覆っているので、製造工程においてリンドープポリシリコン14中のリンがp型半導体基板11に向かって拡散することが抑制される。また、p型半導体基板11の裏面においては、リンドープポリシリコン14をノンドープポリシリコン15が覆っているので、製造工程においてリンドープポリシリコン14中のリンが自身の半導体基板の表面、あるいは隣の半導体基板の表面に付着することが抑制される。本実施の形態では、積層膜18および積層膜19の以上の作用によって、半導体集積回路10の特性変動が抑制される。
【0035】
本実施の形態に係る積層膜18、19は、図2(a)における工程を代替する工程によって製造される。代替する工程は以下のような工程である。
(工程1)p型半導体基板11の所定の位置に、エッチング等によってトレンチを形成する。
(工程2)p型半導体基板11に熱酸化処理を施すことにより、トレンチの底部を含む内壁にSiOの酸化膜12を形成する。
(工程3)SiHを用いた気相成長等により、ノンドープポリシリコン13を酸化膜12上に成膜する。
(工程4)気相成長等によりリンドープポリシリコン14をノンドープポリシリコン13上に成膜する。リンドープポリシリコン14は、SiHガスと同時にPHガスを流して成膜する。
(工程5)SiHを用いた気相成長等により、ノンドープポリシリコン15をリンドープポリシリコン14上に成膜する。
(工程6)ポリシリコン(ノンドープポリシリコン13、リンドープポリシリコン14、ノンドープポリシリコン15)をエッチング等により平坦化する。
【0036】
以上詳述したように、本実施の形態に係る半導体集積回路10によれば、トレンチ分離構造を有する半導体集積回路10において、半導体集積回路10の耐圧の低下等の特性変動を抑制することができる。また、図3に示すMOSトランジスタとしての半導体集積回路60に、上述した半導体集積回路10と同様の工程で積層膜18、19を成膜することによって、閾値電圧(Vth)等の特性変動を抑制することができる。さらに図4に示す素子間分離構造を用いた半導体集積回路70に、上述した半導体集積回路10と同様の工程で積層膜18、19を成膜することによって、MOSトランジスタ同士の導通に起因する特性変動を抑制することができる。なお、半導体集積回路70に適用する回路素子はMOSトランジスタに限られず、例えばバイポーラトランジスタ等の他の回路素子であってもよい。
【0037】
なお、上記実施の形態では、本発明をダイオード、MOSトランジスタ、素子間分離に適用した形態を例示して説明したが、これに限られず、トレンチゲート型MOSトランジスタ等の様々な他の半導体集積回路に適用することができる。また、様々な半導体集積回路に適用可能なことに対応して、本発明は、様々な深さのトレンチに適用することができる。本発明は、特にトレンチMOS等の比較的深いトレンチを用いる半導体集積回路に好適に用いることができる。
【0038】
また、上記実施の形態では、トレンチ内のポリシリコンにリンをドープする形態を例示して説明したが、これに限られず他のn型不純物をドープする形態としてもよい。また、トレンチ内のポリシリコンにドープする不純物はn型不純物に限られず、p型不純物を用いてもよい。
【0039】
また、上記実施の形態では、ノンドープポリシリコン、リンドープポリシリコン、ノンドープポリシリコンの3層から成る積層膜18、19を例示して説明したが、これ限られず、例えば、リン以外の不純物を含むポリシリコン、あるいはノンドープポリシリコンをさらに含む積層膜としてもよい。
【0040】
また、上記各実施の形態で例示した不純物の極性(p型、n型)は例示であり、入れ替えることが可能である。その場合は、上記記載において「p型」を「n型」、「n型」を「p型」と読み替えればよい。
【符号の説明】
【0041】
10、50、60、70・・・半導体集積回路、11・・・p型半導体基板、12・・・酸化膜、13・・・ノンドープポリシリコン、14・・・リンドープポリシリコン、15・・・ノンドープポリシリコン、16・・・n+不純物領域、17・・・p+不純物領域、18、19・・・積層膜、20・・・トレンチ部、51・・・酸化膜、52・・・リンドープポリシリコン、53、53A、53B・・・リン付着層、54・・・リンドープポリシリコン、61・・・n+不純物領域、62・・・ゲート酸化膜、63・・・ゲート電極、64A、64B・・・MOSトランジスタ、65、65A、65B・・・トレンチ部、CR・・・拡散層、H・・・熱
図1
図2
図3
図4