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JP5614877B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置(または半導体集積回路装置)の製造方法における埋め込みエピタキシャル成長技術及びその周辺技術に適用して有効な技術に関する。
日本特開2007−201499号公報(特許文献1)には、パワー系半導体装置の製造プロセスにおいて、アライメントターゲット(Alignment Target)用のトレンチ(Trench)をスーパージャンクション(Superjunction)用のトレンチよりも先に、あるいは、両トレンチを実質的に同時に形成する技術が開示されている。
日本特開2008−171972号公報(特許文献2)には、パワー系半導体装置の製造プロセスにおいて、アライメントターゲット用のトレンチをスーパージャンクション用のトレンチよりも先に形成する技術が開示されている。
日本特開2009−224606号公報(特許文献3)には、パワー系半導体装置の製造プロセスにおいて、アライメントターゲット用のトレンチをスーパージャンクション用のトレンチと実質的に同時に形成する技術が開示されている。
特開2007−201499号公報 特開2008−171972号公報 特開2009−224606号公報
パワーMOSFET等のドリフト領域に関して、従来のシリコンリミット(Silicon Limit)による制約を回避して、オン抵抗の低い高耐圧FET等の開発が重要な課題となっている。そのため、ドリフト領域に比較的高濃度のスラブ(Slab)状のN型カラム領域およびP型カラム領域を交互に有するスーパジャンクション(Super Junction)構造を導入する方法が種々開発されている。このスーパジャンクション構造を導入する方式は、大まかに言って3種類の方式、すなわち、マルチエピタキシャル方式、トレンチ絶縁膜埋め込み方式、および、トレンチフィル方式(トレンチフィリング方式またはトレンチエピタキシャル埋め込み方式)がある。これらのうち、エピタキシャル成長とイオン注入を多数回繰り返すマルチエピタキシャル方式はプロセスおよび設計の自由度が高い分、工程が複雑になるため高コストである。トレンチ絶縁膜埋め込み方式は、トレンチに斜めイオン注入した後、トレンチをCVD(Chemical Vapor Deposition)絶縁膜で埋め込むものであり、プロセス的にはより単純であるが、トレンチの面積分だけ面積的に不利となる。
これらに対して、トレンチフィル方式は埋め込みエピタキシャル成長の成長条件の制約のためにプロセスおよび設計の自由度が比較的低いが、工程が単純であるというメリットがある。そこで、本願発明者らは、トレンチフィル方式による高耐圧&低オン抵抗等に関して、パワーMOSFET等のデバイス構造および量産上の問題を検討したところ、以下のような問題があることが明らかとなった。
すなわち、スーパジャンクション構造と後の工程との位置合わせをとる必要があるため、通常、スーパジャンクション構造の形成前に、半導体基板を掘り込んでリセス部を形成して、このリセス部等をアライメントマークとして使用する(この方法は、以下、「アライメントマーク先行方式」という)。そして、後のスーパジャンクション構造形成工程中に、このアライメントマークが損傷を受けないように、アライメントマーク上を酸化シリコン膜等の絶縁膜(アライメントマーク保護膜)で被覆している。しかしながら、このようにしても、被覆酸化膜を貫通して、損傷がシリコン基板に至り、アライメントマークを破壊することがあることが、本願発明者等により、明らかにされた。
本願発明は、これらの課題を解決するためになされたものである。
本発明の目的は、信頼性の高い半導体装置の製造プロセスを提供することにある。
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。
すなわち、本願の一つの発明は、スーパジャンクション構造を有する半導体装置の製造方法において、スーパジャンクション構造と後の工程との位置合わせのためのアライメントマークを、スーパジャンクション構造の形成後に、作製するものである。
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記のとおりである。
すなわち、スーパジャンクション構造を有する半導体装置の製造方法において、スーパジャンクション構造と後の工程との位置合わせのためのアライメントマークを、スーパジャンクション構造の形成後に、作製するので、アライメントマーク保護膜が不要となる。
本願の一実施の形態の半導体装置の製造方法におけるウエハ上のレイアウトを示すウエハ上面図である。 本願の一実施の形態の半導体装置の製造方法における対象デバイスの一例であるパワーMOSFETのチップ上面図である。 図1及び図2のチップコーナ周辺切り出し部R1の平面レイアウト図である。 本願の一実施の形態の半導体装置の製造方法のウエハプロセス(トレンチエッチ用ハードマスク成膜工程)におけるデバイス領域、仮アライメントマーク領域およびアライメントマーク領域のデバイス断面図である。 本願の一実施の形態の半導体装置の製造方法のウエハプロセス(トレンチエッチ工程)におけるデバイス領域、仮アライメントマーク領域およびアライメントマーク領域のデバイス断面図である。 本願の一実施の形態の半導体装置の製造方法のウエハプロセス(トレンチフィル工程)におけるデバイス領域、仮アライメントマーク領域およびアライメントマーク領域のデバイス断面図である。 本願の一実施の形態の半導体装置の製造方法のウエハプロセス(第1の平坦化処理工程)におけるデバイス領域、仮アライメントマーク領域およびアライメントマーク領域のデバイス断面図である。 本願の一実施の形態の半導体装置の製造方法のウエハプロセス(アライメントマーク形成用レジスト膜塗布工程)におけるデバイス領域、仮アライメントマーク領域およびアライメントマーク領域のデバイス断面図である。 本願の一実施の形態の半導体装置の製造方法のウエハプロセス(アライメントマーク形成工程)におけるデバイス領域、仮アライメントマーク領域およびアライメントマーク領域のデバイス断面図である。 本願の一実施の形態の半導体装置の製造方法のウエハプロセス(ハードマスク除去工程)におけるデバイス領域、仮アライメントマーク領域およびアライメントマーク領域のデバイス断面図である。 本願の一実施の形態の半導体装置の製造方法のウエハプロセス(第2の平坦化処理工程)におけるデバイス領域、仮アライメントマーク領域およびアライメントマーク領域のデバイス断面図である。 図11のデバイス領域のアクティブセル切り出し部R2に関するその後のウエハプロセス(P型ボディ領域導入工程)におけるデバイス断面図である。 図11のデバイス領域のアクティブセル切り出し部R2に関するその後のウエハプロセス(ゲートポリシリコン膜成膜工程)におけるデバイス断面図である。 図11のデバイス領域のアクティブセル切り出し部R2に関するその後のウエハプロセス(ゲートポリシリコン膜パターニング工程)におけるデバイス断面図である。 図11のデバイス領域のアクティブセル切り出し部R2に関するその後のウエハプロセス(コンタクトホール形成工程)におけるデバイス断面図である。 図11のデバイス領域のアクティブセル切り出し部R2に関するその後のウエハプロセス(ソースメタル電極形成工程)におけるデバイス断面図である。 図11のデバイス領域のアクティブセル切り出し部R2に関するその後のウエハプロセス(バックグラインディング工程)におけるデバイス断面図である。 図11のデバイス領域のアクティブセル切り出し部R2に関するその後のウエハプロセス(裏面メタル電極形成工程)におけるデバイス断面図である。 本願の一実施の形態の半導体装置の製造方法における各工程の位置合わせの関係を示す位置合わせ系統図である。
〔実施の形態の概要〕
先ず、本願において開示される発明の代表的な実施の形態について概要を説明する。
1.以下の工程を含む半導体装置の製造方法:
(a)第1導電型の半導体基板の第1の主面に対してドライエッチングを施すことにより、前記半導体基板の前記第1の主面に多数のトレンチを形成する工程;
(b)前記多数のトレンチを前記第1導電型とは反対導電型の第2導電型のエピタキシ層で埋め込むように、前記半導体基板の前記第1の主面側に対して、埋め込みエピタキシ成長処理を施すことによって、前記第1の主面上に埋め込みエピタキシ層を成膜する工程;
(c)前記半導体基板の前記第1の主面上および前記多数のトレンチ外の前記埋め込みエピタキシ層を除去することによって、埋め込まれた前記多数のトレンチの内の第1の部分がそれらの周辺の前記第1導電型の前記半導体基板とともにスーパジャンクションを構成するように、前記第1の主面側に対して、第1の平坦化処理を実行する工程;
(d)前記工程(c)の後、前記半導体基板の前記第1の主面にアライメントマークを形成する工程;
(e)前記工程(d)の後、前記アライメントマークを用いて、位置合わせを実行する工程。
2.前記1項の半導体装置の製造方法において、前記アライメントマークは、前記半導体基板の前記第1の主面に形成されたリセス部を含む。
3.前記1または2項の半導体装置の製造方法において、前記工程(a)における前記ドライエッチングおよび前記工程(b)における前記埋め込みエピタキシ成長処理は、前記半導体基板の前記第1の主面上にハードマスク膜がある状態で実行される。
4.前記1から3項のいずれか一つの半導体装置の製造方法において、更に、以下の工程を含む:
(f)前記工程(c)の後であって前記工程(d)の前に、前記多数のトレンチの内の第2の部分を仮アライメントマークとして、前記工程(d)のための位置合わせを実行する工程。
5.前記3または4項の半導体装置の製造方法において、前記ハードマスク膜は、酸化シリコン系絶縁膜を主要な構成要素として含む。
6.前記3から5項のいずれか一つの半導体装置の製造方法において、更に、以下の工程を含む:
(g)前記工程(d)の後であって前記工程(e)の前に、前記ハードマスク膜を除去する工程。
7.前記3から6項のいずれか一つの半導体装置の製造方法において、更に、以下の工程を含む:
(h)前記工程(g)における前記ハードマスク膜の除去によって形成された前記半導体基板の前記第1の主面上の段差を平坦化するように、前記半導体基板の前記第1の主面に対して、第2の平坦化処理を実行する工程。
8.前記7項の半導体装置の製造方法において、更に、以下の工程を含む:
(i)前記工程(h)における前記第2の平坦化処理の前後における前記リセス部の深さを測定する工程。
9.前記8項の半導体装置の製造方法において、更に、以下の工程を含む:
(j)前記工程(i)における前記第2の平坦化処理の前後における前記リセス部の深さ測定の結果に基づいて、前記工程(h)における前記第2の平坦化処理の研摩量を制御する工程。
10.前記4から9項のいずれか一つの半導体装置の製造方法において、前記多数のトレンチの内の前記第2の部分は、前記多数のトレンチの内の前記第1の部分とは、別に設けられている。
11.前記4から10項のいずれか一つの半導体装置の製造方法において、前記多数のトレンチの内の前記第2の部分は、前記アライメントマークの近傍に設けられている。
12.前記1から11項のいずれか一つの半導体装置の製造方法において、前記アライメントマークは、ほぼ平行に配列された複数の線状リセス部を有する。
13.前記4から12項のいずれか一つの半導体装置の製造方法において、前記工程(e)の位置合わせ工程は、ゲート電極のパターニングのための位置合わせ工程である。
14.前記4から13項のいずれか一つの半導体装置の製造方法において、前記仮アライメントマークを用いた位置合わせは、第1の平坦化後の平坦な表面における前記仮アライメントマーク周辺の光学的段差を利用して行われる。
〔本願における記載形式、基本的用語、用法の説明〕
1.本願において、実施の態様の記載は、必要に応じて、便宜上複数のセクションに分けて記載する場合もあるが、特にそうでない旨明示した場合を除き、これらは相互に独立別個のものではなく、単一の例の各部分、一方が他方の一部詳細または一部または全部の変形例等である。また、原則として、同様の部分は繰り返しを省略する。また、実施の態様における各構成要素は、特にそうでない旨明示した場合、理論的にその数に限定される場合および文脈から明らかにそうでない場合を除き、必須のものではない。
更に、本願において、「半導体装置」というときは、主に、各種トランジスタ(能動素子)単体、またはそれらを中心に、抵抗、コンデンサ等を半導体チップ等(たとえば単結晶シリコン基板)上に集積したものをいう。ここで、各種トランジスタの代表的なものとしては、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)に代表されるMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)を例示することができる。本願では、パワー系半導体素子を対象とするが、「パワー系半導体素子」とは、主に、5ワット以上の電力を取り扱う各種半導体素子、たとえば、パワーMOSFET、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、パワーダイオード、これらのうち少なくとも一つを含む複合素子等を指す。
2.同様に実施の態様等の記載において、材料、組成等について、「AからなるX」等といっても、特にそうでない旨明示した場合および文脈から明らかに、そうでない場合を除き、A以外の要素を主要な構成要素のひとつとするものを排除するものではない。たとえば、成分についていえば、「Aを主要な成分として含むX」等の意味である。たとえば、「シリコン部材」等といっても、純粋なシリコンに限定されるものではなく、SiGe合金やその他シリコンを主要な成分とする多元合金、その他の添加物等を含む部材も含むものであることはいうまでもない。同様に、「酸化シリコン膜」、「酸化シリコン系絶縁膜」等と言っても、比較的純粋な非ドープ酸化シリコン(Undoped Silicon Dioxide)だけでなく、FSG(Fluorosilicate Glass)、TEOSベース酸化シリコン(TEOS-based silicon oxide)、SiOC(Silicon Oxicarbide)またはカーボンドープ酸化シリコン(Carbon-doped Silicon oxide)またはOSG(Organosilicate glass)、PSG(Phosphorus Silicate Glass)、BPSG(Borophosphosilicate Glass)等の熱酸化膜、CVD酸化膜、SOG(Spin ON Glass)、ナノクラスタリングシリカ(Nano-Clustering Silica:NCS)等の塗布系酸化シリコン、これらと同様な部材に空孔を導入したシリカ系Low-k絶縁膜(ポーラス系絶縁膜)、およびこれらを主要な構成要素とする他のシリコン系絶縁膜との複合膜等を含むことは言うまでもない。
また、酸化シリコン系絶縁膜と並んで、半導体分野で常用されているシリコン系絶縁膜としては、窒化シリコン系絶縁膜がある。この系統の属する材料としては、SiN,SiCN,SiNH,SiCNH等がある。ここで、「窒化シリコン」というときは、特にそうでない旨明示したときを除き、SiNおよびSiNHの両方を含む。
3.同様に、図形、位置、属性等に関して、好適な例示をするが、特にそうでない旨明示した場合および文脈から明らかにそうでない場合を除き、厳密にそれに限定されるものではないことは言うまでもない。
4.さらに、特定の数値、数量に言及したときも、特にそうでない旨明示した場合、理論的にその数に限定される場合および文脈から明らかにそうでない場合を除き、その特定の数値を超える数値であってもよいし、その特定の数値未満の数値でもよい。
5.「ウエハ」というときは、通常は半導体装置(半導体集積回路装置、電子装置も同じ)をその上に形成する単結晶シリコンウエハを指すが、エピタキシャルウエハ、SOI基板、LCDガラス基板等の絶縁基板と半導体層等の複合ウエハ等も含むことは言うまでもない。
6.一般にスーパジャンクション構造は、ある導電型の半導体領域に反対導電型の柱状又は板状のカラム領域をチャージバランスが保たれるように、ほぼ等間隔に挿入したものである。本願において、トレンチフィル方式による「スーパジャンクション構造」に言及するときは、原則として、ある導電型の半導体領域に反対導電型の板状(通常は、平板状であるが屈曲又は屈折していてもよい)の「カラム領域」をチャージバランスが保たれるように、ほぼ等間隔に挿入したものである。実施の形態では、N型半導体層(たとえばドリフト領域)にP型カラム領域を平行に等間隔を置いて形成されたものについて説明する。従って、「スーパジャンクション構造がチップ側面に露出している」というときは、P型カラム領域が露出している場合のみを言うのではなく、P型カラム領域またはN型カラム領域として作用している領域がチップ側面に露出していることをいう。
本願においては、パワーMOSFET等のパワー系半導体装置がオン状態のとき電流通路となるエピタキシ層部分のみでなく、パワー系半導体装置がオフ状態のときに、逆方向耐圧を保持することに寄与する周辺のエピタキシ層部分(P型カラム領域およびN型カラム領域を含めて)を含めて、ドリフト領域と呼ぶ。
7.本願において、結晶面について、たとえば(100)などと表示するときは、これに等価な結晶面を含むものとする。また、同様に、結晶方位について、〈100〉、〈110〉などと表示するときは、これに等価な結晶方位を含むものとする。
〔実施の形態の詳細〕
実施の形態について更に詳述する。各図中において、同一または同様の部分は同一または類似の記号または参照番号で示し、説明は原則として繰り返さない。
また、添付図面においては、却って、煩雑になる場合または空隙との区別が明確である場合には、断面であってもハッチング等を省略する場合がある。これに関連して、説明等から明らかである場合等には、平面的に閉じた孔であっても、背景の輪郭線を省略する場合がある。更に、断面でなくとも、空隙でないことを明示するために、ハッチングを付すことがある。
なお、スーパージャンクション構造を利用したパワーMOSFETについて開示した先行特許出願としては、たとえば日本特願第2009−263600号(日本出願日2009年11月19日)、日本特願第2010−81905号(日本出願日2010年3月31日)等がある。
1.本願の一実施の形態の半導体装置の一例であるパワーMOSFETのデバイスの平面レイアウト、チップ領域周辺のレイアウト、ウエハ上の各部のレイアウト、および位置合わせシステムの説明(主に図1から図3、および図19)
この例では、シリコン系半導体基板に作られたプレーナ型パワーMOSFETであって、ソースドレイン耐圧600ボルト程度のものに例をとり具体的に説明する(プレーナ型パワーMOSFETについては、以下のセクションでも同じ)が、その他の耐圧値を有するパワーMOSFETその他のデバイスにも適用できることは言うまでもない。
図1は本願の一実施の形態の半導体装置の製造方法におけるウエハ上のレイアウトを示すウエハ上面図である。図2は本願の一実施の形態の半導体装置の製造方法における対象デバイスの一例であるパワーMOSFETのチップ上面図である。図3は図1及び図2のチップコーナ周辺切り出し部R1の平面レイアウト図である。図19は本願の一実施の形態の半導体装置の製造方法における各工程の位置合わせの関係を示す位置合わせ系統図である。これらに基づいて、本願の一実施の形態の半導体装置の一例であるパワーMOSFETのデバイスの平面レイアウト、チップ領域周辺のレイアウト、ウエハ上の各部のレイアウト、および位置合わせシステムを説明する。
図1にウエハ1のデバイス主面1a上のチップ領域2等のレイアウトを示す(200φウエハ、および3ミリメートル角程度のチップサイズを想定すれば、実際のチップ数は、大凡、この100倍程度であるが、図示の都合上、チップの大きさを誇張して示す)。図1に示すように、ウエハ1の表側主面1a(デバイス主面、ソース側主面、すなわち第1の主面)には、多数のチップ領域2またはチップ領域となるべき領域が、ほぼマトリクス状に設けられており、これらの間は、X方向およびY方向に直交交差するスクライブライン領域32(X方向スクライブライン領域32x、Y方向スクライブライン領域32y)で相互に隔てられている。この例では、ウエハ1の表側主面1aの結晶面は、たとえば、(100)であり、ノッチ9の方向の結晶方位は、たとえば、〈100〉または〈110〉である(もちろん、必要に応じて、その他の結晶面や結晶方位の配向でも良い)。
デバイスのほぼ完成時点のチップ2(チップ領域)の上面(ウエハ1の表側主面1aに対応)の全体の平面レイアウトを図2に示す(見やすいように、チップ内部領域のメタル層を除去して示す)。図2に示すように、チップ2(2a)ほぼ正方形又は、それに近い矩形(長方形)をしており、チップ周辺領域20にはガードリング10があり、中央部には、アクティブセル領域13がある。アクティブセル領域13内には、多重連結構造(多数の同形開口を有するシート状)をしたポリシリコン膜(ゲート電極)21が設けられており、アクティブセル領域13の全体およびチップ周辺領域20の所定の領域には、スーパジャンクション構造を構成するP型カラム領域6が、敷き詰められている。
図1及び図2のチップコーナ周辺切り出し部R1を図3に示す。図3に示すように、チップ領域2aのアクティブセル領域13には、P+型ボディコンタクト領域27が設けられており、アクティブセル領域13からチップ周辺領域20のN型シリコンエピタキシ層1eには、多数のP型カラム領域6が形成されている。これらのP型カラム領域6とそれらの間のN型カラム領域7(N型シリコンエピタキシ層1e)とで、スーパジャンクション構造を構成している。チップ領域2aはY方向スクライブライン領域32yを挟んでチップ領域2bと、X方向スクライブライン領域32xを挟んでチップ領域2cと、それぞれ隣接しており、両スクライブライン領域32x、32yの交差領域を挟んで、チップ領域2dと隣接している。両スクライブライン領域32x、32yには、スーパジャンクション構造とその後のプロセスレイヤーとの位置合わせを行うためのアライメントマーク8を形成するためのアライメントマーク領域5(寸法としては、たとえば、36マイクロメートルx32マイクロメートル程度を例示することができる)が設けられており、その近傍には、アライメントマーク8を形成するための補助的なアライメントマーク、すなわち、仮アライメントマーク33を形成するための仮アライメントマーク領域4(寸法としては、たとえば、36マイクロメートルx32マイクロメートル程度を例示することができる)が設けられている。X方向スクライブライン領域32xのアライメントマーク領域5内には、X方向アライメントマーク8xが、Y方向スクライブライン領域32yには、Y方向アライメントマーク8yがそれぞれ設けられており、それらの近傍の仮アライメントマーク領域4には、X方向仮アライメントマーク33xおよびY方向仮アライメントマーク33yがそれぞれ設けられている。これらの各種のアライメントマークは、たとえば位置合わせレーザスキャン経路34に沿って、レーザビームでスキャンニングすることにより、位置合わせ(位置検出及び位置合わせ)を実行する。
なお、仮アライメントマーク領域4(埋め込まれたトレンチの第2の部分)は、アライメントマーク領域5の近傍に設けることが望ましい。また、埋め込まれたトレンチの第2の部分は、埋め込まれたトレンチの第1の部分(スーパジャンクションを構成するP型カラム領域群)とは、別個の位置に設けることが、位置合わせ上、望ましい。更に、アライメントマーク(リセス部)8および仮アライメントマークは、平面的に見て、スリット状の複数の等幅で等間隔のラインアンドスペース形状(三次元的に言うと、複数の線状リセス部)が好適なものとして例示できる。
次に、ウエハプロセス全体の位置合わせシステムの概要を図19に例示する。図19に示すように、本実施の形態においては、スーパジャンクション構造とその後のプロセスとの位置合わせを行うためのアライメントマーク8は、スーパジャンクション構造の形成の際に作られた仮アライメントマーク33に位置合わせされる(スーパジャンクション構造と後のプロセスレイヤーとの位置合わせのためのアライメントマークの位置合わせ工程51)。従って、その後のプロセスレイヤー、たとえば、ゲート電極加工の際の位置合わせ工程57、P型ボディ領域導入の際の位置合わせ工程53等での位置合わせでは、このアライメントマーク8と直接、位置合わせが行われる。その後のプロセスレイヤー、たとえば、コンタクトホール形成の際の位置合わせ工程54の位置合わせでは、たとえば、ゲート電極加工工程において形成されたアライメントマークによって位置合わせが実行される。更に後の工程、たとえば、ソースメタル電極加工の際の位置合わせ工程55、ファイナルパッシベーション膜加工の際の位置合わせ工程56等においては、たとえば、コンタクトホール形成工程において形成されたアライメントマークによって位置合わせが実行される。
2.本願の一実施の形態の半導体装置の製造方法におけるウエハプロセス等の説明(主に図4から図18、図19を参照)
図4は本願の一実施の形態の半導体装置の製造方法のウエハプロセス(トレンチエッチ用ハードマスク成膜工程)におけるデバイス領域3、仮アライメントマーク領域4およびアライメントマーク領域5のデバイス断面図である。図5は本願の一実施の形態の半導体装置の製造方法のウエハプロセス(トレンチエッチ工程)におけるデバイス領域、仮アライメントマーク領域およびアライメントマーク領域のデバイス断面図である。図6は本願の一実施の形態の半導体装置の製造方法のウエハプロセス(トレンチフィル工程)におけるデバイス領域、仮アライメントマーク領域およびアライメントマーク領域のデバイス断面図である。図7は本願の一実施の形態の半導体装置の製造方法のウエハプロセス(第1の平坦化処理工程)におけるデバイス領域、仮アライメントマーク領域およびアライメントマーク領域のデバイス断面図である。図8は本願の一実施の形態の半導体装置の製造方法のウエハプロセス(アライメントマーク形成用レジスト膜塗布工程)におけるデバイス領域、仮アライメントマーク領域およびアライメントマーク領域のデバイス断面図である。図9は本願の一実施の形態の半導体装置の製造方法のウエハプロセス(アライメントマーク形成工程)におけるデバイス領域、仮アライメントマーク領域およびアライメントマーク領域のデバイス断面図である。図10は本願の一実施の形態の半導体装置の製造方法のウエハプロセス(ハードマスク除去工程)におけるデバイス領域、仮アライメントマーク領域およびアライメントマーク領域のデバイス断面図である。図11は本願の一実施の形態の半導体装置の製造方法のウエハプロセス(第2の平坦化処理工程)におけるデバイス領域、仮アライメントマーク領域およびアライメントマーク領域のデバイス断面図である。図12は図11のデバイス領域のアクティブセル切り出し部R2に関するその後のウエハプロセス(P型ボディ領域導入工程)におけるデバイス断面図である。図13は図11のデバイス領域のアクティブセル切り出し部R2に関するその後のウエハプロセス(ゲートポリシリコン膜成膜工程)におけるデバイス断面図である。図14は図11のデバイス領域のアクティブセル切り出し部R2に関するその後のウエハプロセス(ゲートポリシリコン膜パターニング工程)におけるデバイス断面図である。図15は図11のデバイス領域のアクティブセル切り出し部R2に関するその後のウエハプロセス(コンタクトホール形成工程)におけるデバイス断面図である。図16は図11のデバイス領域のアクティブセル切り出し部R2に関するその後のウエハプロセス(ソースメタル電極形成工程)におけるデバイス断面図である。図17は図11のデバイス領域のアクティブセル切り出し部R2に関するその後のウエハプロセス(バックグラインディング工程)におけるデバイス断面図である。図18は図11のデバイス領域のアクティブセル切り出し部R2に関するその後のウエハプロセス(裏面メタル電極形成工程)におけるデバイス断面図である。これらに基づいて、本願の一実施の形態の半導体装置の製造方法におけるウエハプロセス等を説明する。
まず、図4に示すように、たとえばアンチモンをドープ(たとえば1018から1019/cmのオーダ程度)したN+シリコン単結晶基板1s(ここでは、たとえば、200φウエハ、なお、ウエハ径は、150φ、300φでも450φでもよい)上に、たとえば、厚さTが45マイクロメートル程度のリンドープNエピタキシャル層1e(ドリフト領域、濃度としては、たとえば1015/cmのオーダ程度)を形成した半導体ウエハ1を準備する。この半導体ウエハ1のデバイス面1a(裏面1bの反対の主面)上に、たとえばP−TEOS(Plasma−Tetraethylorthosilicate)等からなるP型カラム用トレンチ形成用ハードマスク膜11(たとえば、厚さ1マイクロメートル程度)を形成する。ハードマスク膜11は、熱酸化膜でも、CVD酸化膜でも、それらの複合膜でもよい。主要な部分が酸化シリコン系膜であれば、その他の絶縁膜を含んでも良い。また、この例では、「第1導電型」は、N型であり、「第2導電型」は、P型であるが、その逆でも良い。
次に、図5に示すように、P型カラム用トレンチ形成用ハードマスク膜11をマスクとして、Nエピタキシャル層1e等をドライエッチングすることにより、多数のP型カラム用トレンチ12および複数の仮アライメントマーク用トレンチ35を形成する。エッチングガスとしては、シリコン酸化膜系のエッチングには、たとえば、CHF,CF,O系を、シリコンエピタキシ部等のエッチングには、SF,O系を用いる。
次に、図6に示すように、P型カラム用トレンチ12および仮アライメントマーク用トレンチ35に対して、埋め込みエピタキシャル成長を実行し、P型埋め込みエピタキシャル層14(濃度としては、たとえば1015/cmのオーダ程度)を形成する。この際、利用できるガス形としては、たとえば、DCS(Dichlorosilane),HCl系、TCS(Trichlorosilane),HCl系などがある。
次に、図7に示すように、ハードマスク膜11をストップ層として、第1の平坦化処理、例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing)処理を実行することにより、P型カラム用トレンチ12および仮アライメントマーク用トレンチ35外のP型埋め込みエピタキシャル層14を除去するとともに、半導体ウエハ1の表面1aを平坦化する。このときのスラリは、選択比(Si/SiO)が大きなものを選ぶ。これにより、デバイス領域3においては、多数のトレンチの内の第1の部分が、埋め込みエピタキシャル層14によって、埋め込まれたことになる。
次に、図8に示すように、ウエハ1の表側主面1a(デバイス主面、すなわち第1の主面)のほぼ全面に、アライメントマーク形成用レジスト膜15を塗布する。ここで、図19に関して説明したように、仮アライメントマーク領域4の仮アライメントマーク33及びその周辺部で構成する光学段差41(表面は平坦であるが、媒質の相違により光路長が異なることにより生じる段差)を利用して、仮アライメントマーク33の位置を検出することで、アライメントマーク形成用レジスト膜15のパターニングのための位置決めを実行し、位置合わせ(図19のアライメントマークの位置合わせ工程51)後に、露光して、現像する。ここで、N型カラム領域7の幅は、たとえば、6マイクロメートル程度であり、P型カラム領域6の幅は、たとえば、4マイクロメートル程度である。また、仮アライメントマーク33の幅と間隔は、たとえば、2マイクロメートル程度である。これによって、埋め込まれた多数のトレンチのうちの第2の部分を仮アライメントマークとして、アライメントマーク形成のための露光の位置合わせが行われ、それに基づいて露光が行われたこととなる。
次に、図9に示すように、パターニングされたレジスト膜15を用いて、ドライエッチングを実行して、アライメントマーク8を形成する。その後、不要になったレジスト膜15をアッシング等により全面除去し、更に、トレンチエッチ用ハードマスク11をウエットエッチング等により、全面除去する。このように、スーパジャンクションを形成後に、アライメントマーク8が形成されるので、スーパジャンクションの前又は同時にアライメントマークを形成するのと比較して、アライメントマークの保護等の必要がないというメリットがある。また、アライメントマークを最適の深さまたは形状に設定することが容易である。
このときの状態を図10に示す。図10に示すように、この状態では、P型カラム領域または仮アライメントマークの上面(段差の上面)36は、ウエハ1の上面1aから若干突出している。この突出量、すなわち、第2の研摩前のデバイス領域または仮アライメントマーク領域の段差dは、たとえば、1マイクロメートル程度である。また、このときのアライメントマーク8の幅は、たとえば、2マイクロメートル程度であり、リセス部の深さD1(第2の研摩前のアライメントマーク用トレンチ深さ)は、5マイクロメートル程度である。
ここで、図11に示すように、第2の平坦化処理を実行する。このときの削り量、すなわち、第2の研摩量Pは、段差dの3倍程度が好適と考えられるので、この例では、第2の研摩量Pは、3マイクロメートル程度となる。その結果、第2の平坦化処理後のアライメントマーク8の深さD2(第2の研摩後のアライメントマーク用トレンチ深さ)は、2マイクロメートル程度である。このように、エピタキシャル層厚さT(ここでは、たとえば、45マイクロメートル程度)は、正確にわかっているので、リセス部の深さD1、リセス部の深さD2を光学的、その他の方法で測定することにより、スーパジャンクションの深さを正確に取得することが可能となり、その結果、スーパジャンクションの深さを高精度に制御することができる。すなわち、リセス部の深さD1およびD2の差分は、すなわち、第2の研摩量Pであるから、リセス部の深さD1およびD2の測定値と測定済みのエピタキシャル層厚さTから、適正な第2の研摩量Pを算出して研摩量を制御すれば、常に一定のスーパジャンクションの深さを得ることができる。また、第2の平坦化処理の研摩量を最小限に設定できるメリットもある。
これ以降のプロセスレイヤーでは、図11におけるデバイス領域3のアクティブセル切り出し部R2の断面を示してプロセスの説明を行う。
図12に示すように、P型ボディ領域導入用レジスト膜17を塗布及びパターニング(たとえば、通常のリソグラフィによる。このときの位置合わせは、図19に示すように、アライメントマーク8を検出することで実行する。すなわち、P型ボディ領域導入の際の位置合わせ工程53である)して、パターニングされたレジスト膜17をマスクとして、イオン注入によりP型ボディ領域16(P型チャネル領域)を導入する(イオン種は、たとえばボロンで、濃度としては、たとえば1017/cmのオーダ程度)。
次に、図13に示すように、半導体ウエハ1の表面1aに熱酸化(たとえば、摂氏950度でのウエット酸化)により、ゲート酸化膜19を形成し、その上に、ゲートポリシリコン膜21(リンドープポリシリコン膜)をたとえば低圧CVD(Chemical Vapor Deposition)により形成する。なお、ゲート酸化前のウエハ洗浄としては、たとえば第1洗浄液、すなわち、アンモニア:過酸化水素:純水=1:1:5(体積比)、及び第2洗浄液、すなわち、塩酸:過酸化水素:純水=1:1:6(体積比)を用いてウエット洗浄を適用することができる。
次に、図14に示すように、ゲート電極加工用レジスト膜22を用いて、ドライエッチング(たとえば、ポリシリコンはSF,O系エッチングガス、酸化膜は、たとえばCHF,CF系エッチングガス)を実行することによりゲート電極21をパターニングする(たとえば、通常のリソグラフィによる。このときの位置合わせは、図19に示すように、アライメントマーク8を検出することで実行する。すなわち、ゲート電極加工の際の位置合わせ工程57である)。続いて、N+ソース領域23等を導入する(イオン主としては、たとえば、砒素で、濃度としては、たとえば1020/cmのオーダ程度)。その後、不要になったレジスト膜22を全面除去する。このように、スーパジャンクションのP型カラム領域6形成用のトレンチと同時に、仮アライメントマーク33を形成して、それと、後の工程用のアライメントマーク8を性格に合わせており、そのアライメントマーク8に対して、ゲート電極加工リソグラフィの位置合わせを実施しているので、ゲート加工工程のアライメントを高精度に維持することができる。
次に、図15に示すように、半導体ウエハ1の表面1aのほぼ全面にPSG(Phospho−Silicate−Glass)膜24(層間絶縁膜)をCVD等により成膜する(上方にSOG膜を重ねて平坦化してもよい)。続いて、半導体ウエハ1の表面1a上に、ソースコンタクトホール開口用レジスト膜25を形成し(たとえば、通常のリソグラフィによる。このときの位置合わせは、図19に示すように、ゲート電極加工工程において作られたアライメントマークを検出することで実行する。すなわち、コンタクトホール形成の際の位置合わせ工程54である)、それをマスクとして、ドライエッチングすることにより、ソースコンタクトホール26等を開口するとともに、ソースコンタクトホール26の孔底に、イオン注入(たとえばBF)により、P+ボディコンタクト領域27を導入する(濃度としては、たとえば1019/cmのオーダ程度)。その後、不要になったレジスト膜25を全面除去する。
次に、図16に示すように、ソースコンタクトホール26にチタン系のバリアメタル膜を介して、タングステンプラグ28を埋め込む。続いて、アルミニウム系金属層をスパッタリング等により成膜して、パターニングすることにより(たとえば、通常のリソグラフィによる。このときの位置合わせは、図19に示すように、コンタクトホール形成工程において作られたアライメントマークを検出することで実行する。すなわち、ソースメタル電極加工の際の位置合わせ工程55である)、メタルソース電極29、ガードリング電極10(図2)等を形成する。更に、この後、必要であれば、たとえば、無機系ファイナルパッシベーション膜や有機系無機系ファイナルパッシベーション膜等のファイナルパッシベーション膜を上層に形成して、パッド開口およびゲート開口を開口する(たとえば、通常のリソグラフィによる。このときの位置合わせは、図19に示すように、コンタクトホール形成工程において作られたアライメントマークを検出することで実行する。すなわち、ファイナルパッシベーション膜加工の際の位置合わせ工程56である)。ファイナルパッシベーション膜としては、無機系ファイナルパッシベーション膜または有機系無機系ファイナルパッシベーション膜等の単層膜のほか、下層の無機系ファイナルパッシベーション膜上に有機系無機系ファイナルパッシベーション膜等を積層しても良い。続いて、バックグラインディング上限31まで、バックグラインディングを実行して、当初のウエハの厚さ(基板部のみの厚さで、たとえば、700マイクロメートル程度)を必要に応じて、図17に示すように、200から20マイクロメートル程度まで薄膜化する。
次に、図18に示すように、ウエハ1の裏面1bにスパッタリング成膜等により、裏面メタル電極30を形成する。
次に、たとえば、ブレードダイシング等(レーザダイシング、レーザグルービング、または、これらとブレードダイシングの組み合わせによる方法でも良い)により、ウエハ1を各チップ領域2に分割する。
3.サマリ
以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、前記実施の形態では、プレーナー型ゲート構造のMOS構造を例にとり具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、トレンチ型ゲート構造にも全く同様に適用できることは言うまでもない。また、MOSFETのレイアウトは、pnカラムに平行にストライプ状に配置した例を示したが、pnカラムに直交する方向に配置したり、格子状に配置したり種種応用可能である。
なお、前記実施の形態では、N+シリコン単結晶基板上のNエピタキシャル層上面に主にNチャネルデバイスを形成するものを具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、P+シリコン単結晶基板上のPエピタキシャル層上面にPチャネルデバイスを形成するものでもよい。
また、前記実施の形態では、パワーMOSFETを例にとり具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、スーパジャンクション構造を有するパワーデバイス、すなわち、ダイオード、バイポーラトランジスタ、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等にも適用できることは言うまでもない。なお、これらのパワーMOSFET、ダイオード、バイポーラトランジスタ、IGBT等を内蔵する半導体集積回路装置等にも適用できることは言うまでもない。
更に、前記実施の形態では、スーパジャンクション構造の形成法として、主にトレンチフィル方式を具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、たとえば、マルチエピタキシャル方式等も適用できることは言うまでもない。
1 ウエハ(半導体基板)
1a ウエハの表側主面(デバイス主面、すなわち第1の主面)
1b ウエハの裏側主面
1e N型シリコンエピタキシ層
1s N+型シリコン単結晶基板部
2,2a,2b,2c,2d チップ領域
3 デバイス領域
4 仮アライメントマーク領域
5 アライメントマーク領域
6 P型カラム領域
7 N型カラム領域
8 アライメントマーク(リセス部)
8x X方向アライメントマーク
8y Y方向アライメントマーク
9 ノッチ
10 ガードリング
11 トレンチエッチ用ハードマスク
12 P型カラム領域埋め込み用トレンチ
13 アクティブセル領域
14 埋め込みエピタキシ層
15 アライメントマーク形成用レジスト膜
16 P型ボディ領域(P型チャネル領域)
17 P型ボディ領域導入用レジスト膜
18 P型ボディ領域導入用酸化シリコン膜
19 ゲート絶縁膜
20 チップ周辺領域
21 ポリシリコン膜(ゲート電極)
22 ゲート電極加工用レジスト膜
23 N+型ソース領域
24 層間絶縁膜
25 コンタクトホール形成用レジスト膜
26 コンタクトホール
27 P+型ボディコンタクト領域
28 タングステンプラグ
29 メタルソース電極
30 裏面メタル電極
31 バックグラインディング上限
32 スクライブライン領域
32x X方向スクライブライン領域
32y Y方向スクライブライン領域
33 仮アライメントマーク
33x X方向仮アライメントマーク
33y Y方向仮アライメントマーク
34 位置合わせレーザスキャン経路
35 仮アライメントマーク用トレンチ
36 P型カラム領域または仮アライメントマークの上面(段差の上面)
41 光学段差
51 アライメントマークの位置合わせ工程
53 P型ボディ領域導入の際の位置合わせ工程
54 コンタクトホール形成の際の位置合わせ工程
55 ソースメタル電極加工の際の位置合わせ工程
56 ファイナルパッシベーション膜加工の際の位置合わせ工程
57 ゲート電極加工の際の位置合わせ工程
D1 第2の研摩前のアライメントマーク用トレンチ深さ
D2 第2の研摩後のアライメントマーク用トレンチ深さ
d 第2の研摩前のデバイス領域または仮アライメントマーク領域の段差
P 第2の研摩量
R1 チップコーナ周辺切り出し部
R2 アクティブセル切り出し部
T エピタキシャル層厚さ

Claims (11)

  1. 以下の工程を含む半導体装置の製造方法:
    (a)第1導電型の半導体基板の第1の主面に対してドライエッチングを施すことにより、前記半導体基板の前記第1の主面に多数のトレンチを形成する工程;
    (b)前記多数のトレンチを前記第1導電型とは反対導電型の第2導電型のエピタキシ層で埋め込むように、前記半導体基板の前記第1の主面側に対して、埋め込みエピタキシ成長処理を施すことによって、前記第1の主面上に埋め込みエピタキシ層を成膜する工程;
    (c)前記半導体基板の前記第1の主面上および前記多数のトレンチ外の前記埋め込みエピタキシ層を除去することによって、埋め込まれた前記多数のトレンチの内の第1の部分がそれらの周辺の前記第1導電型の前記半導体基板とともにスーパジャンクションを構成するように、前記第1の主面側に対して、第1の平坦化処理を実行する工程;
    (d)前記工程(c)の後、前記半導体基板の前記第1の主面にアライメントマークを形成する工程;
    (e)前記工程(d)の後、前記アライメントマークを用いて、位置合わせを実行する工程
    (f)前記工程(c)の後であって前記工程(d)の前に、前記多数のトレンチの内の第2の部分を仮アライメントマークとして、前記工程(d)のための位置合わせを実行する工程、
    ここで、前記工程(a)における前記ドライエッチングおよび前記工程(b)における前記埋め込みエピタキシ成長処理は、前記半導体基板の前記第1の主面上にハードマスク膜がある状態で実行され、
    前記仮アライメントマークを用いた位置合わせは、前記第1の平坦化後の平坦な表面における前記仮アライメントマーク周辺の光学的段差を利用して行われ、
    前記光学的段差は、前記ハードマスク膜と前記第2の部分の前記埋め込みエピタキシ層との間に形成されたものである
  2. 請求項1に記載の半導体装置の製造方法において、前記アライメントマークは、前記半導体基板の前記第1の主面に形成されたリセス部を含む。
  3. 請求項2に記載の半導体装置の製造方法において、前記ハードマスク膜は、酸化シリコン系絶縁膜を主要な構成要素として含む
  4. 請求項3に記載の半導体装置の製造方法において、更に、以下の工程を含む:
    (g)前記工程(d)の後であって前記工程(e)の前に、前記ハードマスク膜を除去する工程
  5. 請求項4に記載の半導体装置の製造方法において、更に、以下の工程を含む:
    (h)前記工程(g)における前記ハードマスク膜の除去によって形成された前記半導体基板の前記第1の主面上の段差を平坦化するように、前記半導体基板の前記第1の主面に対して、第2の平坦化処理を実行する工程
  6. 請求項5に記載の半導体装置の製造方法において、更に、以下の工程を含む:
    (i)前記工程(h)における前記第2の平坦化処理の前後における前記リセス部の深さを測定する工程
  7. 請求項6に記載の半導体装置の製造方法において、更に、以下の工程を含む:
    (j)前記工程(i)における前記第2の平坦化処理の前後における前記リセス部の深さ測定の結果に基づいて、前記工程(h)における前記第2の平坦化処理の研摩量を制御する工程
  8. 請求項7に記載の半導体装置の製造方法において、前記多数のトレンチの内の前記第2の部分は、前記多数のトレンチの内の前記第1の部分とは、別に設けられている
  9. 請求項8に記載の半導体装置の製造方法において、前記多数のトレンチの内の前記第2の部分は、前記アライメントマークの近傍に設けられている
  10. 請求項9に記載の半導体装置の製造方法において、前記アライメントマークは、ほぼ平行に配列された複数の線状リセス部を有する
  11. 請求項10に記載の半導体装置の製造方法において、前記工程(e)の位置合わせ工程は、ゲート電極のパターニングのための位置合わせ工程である
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