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    • 专利摘要:
    EinVerfahren zur Herstellung eines Halbleiterwafers, mit dem Gräben, diein einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind, mit einem epitaxialenFilm mit hoher Kristallqualitätgefülltwerden können,ohne dass in den GräbenHohlräumezurückbleiben.Die Gräbensind in einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps ausgebildet.Ebenen, die innerhalb der Gräbenfreiliegen, werden durch Anordnen des Substrats in einem Gasofen,anschließendZuführeneines Ätzgasesund eines Trägergasesin den Ofen und Ätzender freiliegenden Ebenen innerhalb der Gräben in einer Dicke von etwawenigen Nanometern bis einem Mikrometer als saubere Oberflächen bereitgestellt.Die Gräbenweisen durch das Ätzeneine Geometrie auf, die sich nach oben öffnet. Nach dem Ätzen wirdein Halbleiter eines zweiten Leitungstyps durch Zuführen eines Wachstumsgases,eines Ätzgases,eines Dotiergases und eines Trägergasesin den Ofen in den Gräbenepitaxial wachsen gelassen, wodurch die Gräben gefüllt werden. Anstatt die Gräben so auszubilden,dass sie geringfügig nachoben geöffnetsind, könnenihre Seitenwändeals Ebenen hergestellt werden, was eine Facettenbildung ermöglicht.
    公开号:DE102004010676A1
    申请号:DE200410010676
    申请日:2004-03-04
    公开日:2004-10-14
    发明作者:Susumu Yokosuka Iwamoto；Daisuke Yokosuka Kishimoto；Satoshi Oka；Ryohsuke Yokosuka Shimizu；Katsunori Yokosuka Ueno
    申请人:Shin Etsu Handotai Co Ltd；Fuji Electric Holdings Ltd；
    IPC主号:H01L29-73
    专利说明:
    [0001] Dievorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einesHalbleiterwafers und insbesondere ein Verfahren zur Herstellungeines Halbleiterwafers, der Gräbenumfasst, die in einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstypsausgebildet sind, und der eine Struktur aufweist, bei der die Gräben miteinem epitaxialen Film gefülltsind, der aus einem Halbleiter eines zweiten Leitungstyps zusammengesetztist.
    [0002] ImAllgemeinen werden Halbleitervorrichtungen in eine laterale Vorrichtung,bei der auf einer Seite Elektroden ausgebildet sind, und in einevertikale Vorrichtung eingeteilt, bei der auf beiden Seiten Elektrodenausgebildet sind. Bei der vertikalen Halbleitervorrichtung ist dieRichtung, in die der Driftstrom im Ein-Zustand fließt, mitder Richtung identisch, in der sich die Verarmungsschicht durcheine Rück-Vorspannungim Aus-Zustand ausdehnt. Bei einem gewöhnlichen planaren vertikalenn-Kanal-MOSFET arbeitet die Driftschicht mit hohem Widerstand alsBereich, durch den der Driftstrom im Ein-Zustand in der vertikalenRichtung fließt.Demgemäß kann dieVerminderung der Längedes Stromwegs der Driftschicht den Driftwiderstand senken, wodurchder Vorteil entsteht, dass der effektive Ein-Widerstand des MOSFETvermindert werden kann.
    [0003] Daandererseits die Driftschicht im Aus-Zustand zu einem Verarmungsbereichwird, um die Stehspannung zu erhöhen,vermindert die dünne Driftschichtdie Stehspannung. Im Gegensatz dazu ist wie bei einer Halbleitervorrichtungmit einer hohen Stehspannung der Ein-Widerstand hoch, da die Driftschichtdick ist, wodurch der Verlust erhöht wird. Folglich besteht einKompromiss zwischen dem Ein-Widerstand und der Stehspannung.
    [0004] Esist bekannt, das dieser Kompromiss auch für Halbleitervorrichtungen wiez.B. MOSFET's (Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren),IGBT's (Bipolartransistorenmit isolierter Gateelektrode), Bipolartransistoren und Dioden gilt.Darüberhinaus liegt dieser Kompromiss auch in den lateralen Halbleitervorrichtungenvor, in denen sich die Richtung, in welche der Driftstrom im Ein-Zustandfließt,von der Richtung unterscheidet, in welcher sich die Verarmungsschichtim Aus-Zustand erstreckt.
    [0005] AlsVorrichtungen, die das vorstehend genannte Problem bezüglich desgenannten Kompromisses lösen,sind Superjunction-Halbleitervorrichtungen bekannt, die eine Driftschichtumfassen, die eine parallele pn-Struktur aufweist, welche aus abwechselnden Übergängen vonHalbleiterbereichen des n-Typs und Halbleiterbereichen des p-Typsmit erhöhtenFremdatomkonzentrationen zusammengesetzt sind (vgl. die veröffentlichteeuropäischePatentanmeldung Nr. 0053854, die US-PSen 5,216,275 und 5,438,215 und die japanischeveröffentlichtePatentanmeldung Nr. 266311/1997). Die Halbleitervorrichtungen miteiner solchen Struktur könnendie Stehspannung trotz der hohen Fremdatomkonzentration der parallelenpn-Struktur erhöhen.Dies ist darauf zurückzuführen, dasssich die Verarmungsschicht im Aus-Zustand in der lateralen Richtungan den einzelnen pn-Übergängen derparallelen pn-Struktur ausbreitet, die sich in der vertikalen Richtungerstreckt, und folglich verarmt die Gesamtheit der Driftschicht.
    [0006] Bezüglich derVerfahren zur Herstellung des Superjunction-Wafers, der zur Herstellungder vorstehend genannten Superjunction-Halbleitervorrichtungen verwendetwird, wurden diejenigen Verfahren intensiv untersucht, die zu niedrigenKosten und einer Massenherstellbarkeit führen. Beispielsweise wurdeein Verfahren des Bildens von Gräbenin der Oberflächenschichteines Halbleitersubstrats eines ersten Leitungstyps und anschließend einesepitaxialen Wachstums eines Halbleiters eines zweiten Leitungstypsin den Gräbenentwickelt. Alternativ wurde ein Verfahren des Füllens der Gräben miteinem epitaxialen Film und anschließender Oxidation seiner Oberfläche zurBeseitigung des Kristalldefekts in dem epitaxialen Film in der Nähe der Mittedes oberen Teils der Gräbenvorgeschlagen (vgl. die japanische veröffentlichte PatentanmeldungNr. 340578/2000).
    [0007] Darüber hinauswird ein Verfahren zur Bildung der parallelen pn-Struktur mit einemgeringen Abstand durch anisotropes Nassätzen vorgeschlagen (vgl. diejapanische veröffentlichtePatentanmeldung Nr. 168327/2001). Um diesen geringen Abstand zuerreichen, wird eine (110)-Ebeneals dessen Substratoberflächegenutzt und die Kontaktebenen der Halbleiterbereiche des n-Typsund der Halbleiterbereiche des p-Typs der parallelen pn-Strukturwerden derart ausgebildet, dass sie zur (111)-Ebene oder einer dazu äquivalentenEbene werden, d.h. zur {111}-Ebene, und sich in der [110]-Richtungerstrecken. Alternativ wird ein Verfahren des Wachstums einer geringenMenge des epitaxialen Films in den Gräben, anschließend Vergrößern der Öffnungender Gräbendurch Ätzeneines Teils des epitaxialen Films, und Füllen der Gräben, ohne dass ein Hohlrauminnerhalb der Gräbenzurückbleibt,durch erneutes epitaxiales Wachstum vorgeschlagen (vgl. die japanischeveröffentlichtePatentanmeldung Nr. 196573/2001).
    [0008] Bezüglich einesVerfahrens zur Bildung der Gräbenwird ein Verfahren zur Durchführungeines ersten Ätzensund eines anschließendenzweiten Ätzensvorgeschlagen (vgl. die japanische veröffentlichte PatentanmeldungNr. 141407/2002). Das erste Ätzenwird mit einer Halbleitersubstratoberfläche unter Verwendung einesMischgasplasmas aus einem Siliziumhalogenidgas oder einem Borhalogenidgas mitSauerstoff oder Stickstoff durchgeführt. Das zweite Ätzen wirdunter Verwendung eines Mischgasplasmas aus einem Halogen-enthaltendenGas mit Sauer stoff oder Stickstoff durchgeführt. Durch das erste Ätzen werdendie Gräbenderart gebildet, dass ihre Öffnungengeringfügiggeneigte, sich verjüngende Ebenenaufweisen, wohingegen durch das zweite Ätzen die Gräben als steile Gräben gebildetwerden.
    [0009] DasFüllender Gräbenmit dem epitaxialen Film bringt jedoch die folgenden zwei Problememit sich. Das erste Problem besteht darin, dass eine Spurenmengevon Siliziumoxid (SiOx, wobei x den Wert0, 1 oder 2 hat) oder von amorphem Silizium in den Innenwänden derGräbenzurückbleibt,da die Reinigungstechnik der Innenwände der Gräben noch in der Entwicklungsphaseund zur Zeit noch nicht ausgereift ist. Die unausgereifte Reinigungstechnik kannauch eine Oberflächenrauhigkeitim Mikromaßstaboder Nanomaßstabmit sich bringen, welche die Qualität des epitaxialen Films beeinträchtigt.Es wurde im Laufe der Zeit gefunden, dass die Fremdmaterialien oderdie Oberflächenrauhigkeitin gewissem Maß durcheine Reinigung mit Fluorwasserstoffsäure, einer Plasmaätzvorrichtungoder einer chemischen Trockenätzvorrichtung(CDE) entfernt werden könnenbzw. kann. Gegenwärtigist es jedoch schwierig, diese vollständig zu entfernen. Das zweiteProblem besteht darin, dass es wahrscheinlich ist, dass in den Gräben einHohlraum zurückbleibt,da der epitaxiale Film, der um die Öffnung dick wachsen gelassenworden ist, die Öffnungenblockiert.
    [0010] Dievorstehend genannte Literatur bezieht sich nicht auf den Effektder Fremdmaterialien oder der Rauhigkeit auf den Innenwänden derGräbenauf das epitaxiale Wachstum. Beispielsweise betrifft das Verfahrenzur Bildung von Gräben,das in der japanischen veröffentlichtenPatentanmeldung Nr. 141407/2002 beschrieben ist, eine Technik zurBildung von Vorrichtungsisolierregionen durch Füllen der Gräben mit einem Oxidfilm, oderzur Bildung eines Oxidfilms auf den Innenwänden der Gräben wie in MOSFET's des Grabentypsoder Kondensatoren des Grabentyps, und keine Technik, mit der dieGräbenmit dem epitaxialen Film gefülltwerden. Dieses Dokument beschreibt somit nicht die Fremdmaterialienoder die Rauhigkeit auf den Innenwänden der Gräben.
    [0011] EineAufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einesVerfahrens zur Herstellung eines Halbleiterwafers, mit dem Gräben, diein einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind, mit einem epitaxialenFilm mit hoher Kristallqualitätgefülltwerden können,ohne dass in den Gräbenein Hohlraum zurückbleibt.
    [0012] Gemäß einesAspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellungeines Halbleiterwafers bereitgestellt, das die Schritte des Bildensvon Gräbenmit einem gewünschtenMuster in einer Oberflächenschichteines Halbleitersubstrats eines ersten Leitungstyps; Durchführen eines Ätzens auffreiliegenden Ebenen innerhalb der Gräben in einem Gasofen durch Zuführen von Ätzgas inden Gasofen und Füllender Gräbendurch epitaxiales Wachstum eines Halbleiters eines zweiten Leitungstypsin den Gräbenumfasst, nachdem das Ätzenabgeschlossen worden ist. Erfindungsgemäß werden die Ebenen, die innerhalbder Gräbenfreiliegen, in einem Bereich von wenigen Nanometern bis einem Mikrometergeätzt.Folglich erhalten die Ebenen, die innerhalb der Gräben freiliegen,saubere Oberflächenmit wenigen Verunreinigungen und Störungen in der Kristallstruktur.Da der epitaxiale Film auf der sauberen Oberfläche wachsen gelassen wird,könnendie Gräbenmit dem epitaxial wachsen gelassenen Film mit hoher Kristallqualität gefüllt werden.
    [0013] Inder vorliegenden Endung kann das Ätzen durch Einstellen des Drucksdes Trägergasesauf einen Wert von 100 Torr oder mehr und 760 Torr oder wenigerdurchgeführtwerden. In diesem Fall wird die Diffusionslänge des Ätzgases klein, so dass dieMenge des Ätzgases,welche die Bödender Gräbenerreicht, begrenzt ist. Demgemäß schreitetdas Ätzen inder Näheder Öffnungender Gräbenrelativ schnell fort, wodurch der Querschnitt der Gräben geringfügig nachoben geöffnetwird. Die Verjüngungswinkelder Seitenwändeder Gräbennach dem Ätzen(die Winkel, welche die Seitenwändeder Gräbenmit der Substratoberflächeeinschließen)erreichen einen Wert von 87° odermehr und weniger als 90°.Demgemäß werdendie Öffnungender Gräbenselbst dann nicht blockiert, wenn der epitaxiale Film an den Öffnungen derGräbenziemlich schnell wachsen gelassen wird. Als Folge davon können dieGräbenmit dem epitaxialen Film mit hoher Kristallqualität gefüllt werden, ohnedass in den Gräbenein Hohlraum verbleibt.
    [0014] Inder vorliegenden Erfindung kann das epitaxiale Wachstum durch Einstellender Kristallebenenorientierungen von Seitenwänden der Gräben auf Orientierungen, dieeine Facettenbildung ermöglichen,und durch gleichzeitiges oder aufeinanderfolgendes Zuführen von Ätzgas undWachstumsgas in den Gasofen durchgeführt werden, um das epitaxiale Wachstumdes Halbleiters des zweiten Leitungstyps zu beschleunigen. Als Wachstumsgasist ein Dichlorsilangas bevorzugt. In diesem Fall werden die Seitenwände derGräbenaufgrund der gebildeten Facetten stabil und das Ätzgas beschränkt dasepitaxiale Wachstum der Seitenwändeder Gräben.Demgemäß ist dieepitaxiale Wachstumsrate an den Böden größer als an den Seitenwänden derGräben.Darüber hinauskönnendurch Einstellen des Drucks des Trägergases während des Ätzens auf einen niedrigen Wertdie Konzentrationen des Ätzgasesan den Bödenund in der Näheder Öffnungender Gräbenauf einen etwa gleichen Wert eingestellt werden. Folglich schreitetdas Ätzenauf den gesamten Oberflächen derGräbenetwa mit der gleichen Geschwindigkeit fort, so dass die Innenwände derGräbenbei der Bildung der Facetten geglättet werden. Folglich werden dieGräbenmit dem epitaxialen Film mit hoher Kristallqualität gefüllt, ohnein den Gräbeneinen Hohlraum zurückzulassen.
    [0015] Inder vorliegenden Erfindung kann durch den Schritt des Ätzens das Ätzen aufden freiliegenden Ebenen innerhalb der Gräben so durchgeführt werden,dass die Breiten der Öffnungender Gräben größer werdenals die Breiten der Bödender Gräben.
    [0016] Erfindungsgemäß wird einVerfahren zur Herstellung eines Halbleiterwafers bereitgestellt,mit dem die Gräben,die in dem Halbleitersubstrat gebildet werden, mit dem epitaxialenFilm mit hoher Kristallqualitätgefülltwerden können,ohne dass in den Gräbenein Hohlraum zurückbleibt.
    [0017] Dievorstehenden und andere Ziele, Effekte, Merkmale und Vorteile dervorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung vonAusführungsformenzusammen mit den beigefügten Zeichnungendeutlicher.
    [0018] 1 ist eine Querschnittsansicht,die ein erfindungsgemäßes Verfahrenzur Herstellung eines Halbleiterwafers einer Ausführungsform1 zeigt;
    [0019] 2 ist eine Querschnittsansicht,die das erfindungsgemäße Verfahrenzur Herstellung des Halbleiterwafers der Ausführungsform 1 zeigt;
    [0020] 3 ist eine Querschnittsansicht,die das erfindungsgemäße Verfahrenzur Herstellung des Halbleiterwafers der Ausführungsform 1 zeigt;
    [0021] 4 ist eine Querschnittsansicht,die das erfindungsgemäße Verfahrenzur Herstellung des Halbleiterwafers der Ausführungsform 1 zeigt;
    [0022] 5 ist eine Querschnittsansicht,die das erfindungsgemäße Verfahrenzur Herstellung des Halbleiterwafers der Ausführungsform 1 zeigt;
    [0023] 6 ist eine Querschnittsansicht,die ein erfindungsgemäßes Verfahrenzur Herstellung eines Halbleiterwafers einer Ausführungsform2 zeigt;
    [0024] 7 ist eine Querschnittsansicht,die das erfindungsgemäße Verfahrenzur Herstellung des Halbleiterwafers der Ausführungsform 2 zeigt;
    [0025] 8 ist eine Querschnittsansicht,die ein erfindungsgemäßes Verfahrenzur Herstellung eines Halbleiterwafers einer Ausführungsform3 zeigt;
    [0026] 9 ist eine Querschnittsansicht,die das erfindungsgemäße Verfahrenzur Herstellung des Halbleiterwafers der Ausführungsform 3 zeigt;
    [0027] 10 ist eine Querschnittsansicht,die das erfindungsgemäße Verfahrenzur Herstellung des Halbleiterwafers der Ausführungsform 3 zeigt;
    [0028] 11 ist eine Querschnittsansicht,die das erfindungsgemäße Verfahrenzur Herstellung des Halbleiterwafers der Ausführungsform 3 zeigt;
    [0029] 12 ist eine Querschnittsansicht,die das erfindungsgemäße Verfahrenzur Herstellung des Halbleiterwafers der Ausführungsform 3 zeigt; und
    [0030] 13 ist eine Querschnittsansicht,die das erfindungsgemäße Verfahrenzur Herstellung des Halbleiterwafers der Ausführungsform 3 zeigt.
    [0031] Dieerfindungsgemäßen Ausführungsformen werdennachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.In der folgenden Beschreibung wird davon ausgegangen, dass Siliziumals Halbleitermaterial verwendet wird und dass der erste Leitungstypein n-Typ und derzweite Leitungstyp ein p-Typ ist. Diese Annahmen sind jedoch nurBeispiele und sind nicht beschränkendaufzufassen. Folglich ist die vorliegende Erfindung auch auf Fälle anwendbar,bei denen andere Halbleitermaterialien oder die entgegengesetztenLeitungstypen eingesetzt werden, d.h. der p-Typ als erster Leitungstyp undder n-Typ als zweiter Leitungstyp. Da darüber hinaus die vorliegendeErfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterwafers betrifft,ist die Struktur von Vorrichtungen, die auf dem Wafer gebildet werden,oder das Herstellungsverfahren nicht beschränkt, und die Beschreibung unddie Zeichnungen dafürwerden weggelassen. Beispielsweise ist die vorliegende Erfindungauf das Substrat eines MOSFET, IGBT, Bipolartransistors, GTO-Thyristorsoder einer Diode anwendbar.
    [0032] Die 1 bis 5 sind Querschnittsansichten, die einerfindungsgemäßes Verfahrenzur Herstellung eines Halbleiterwafers einer Ausführungsform1 zeigen. Als erstes wird, wie es in der 1 gezeigt ist, auf einer Oberfläche einesSiliziumsubstrats des n-Typs 1 durch thermische Oxidationoder CVD (chemisches Aufdampfen) ein Maskenoxidfilm 2 gebildet. Esist auch möglich,einen Isolierfilm wie z.B. einen Nitridfilm als Maske neben demOxidfilm zu verwenden.
    [0033] Anschließend wirdzur Maskenjustierung eine Justiermarke gebildet. Dann werden, wiees in der 2 gezeigtist, in dem Maskenoxidfilm 2 mittels Photolithographieunter Verwendung einer nicht gezeigten Maske Fenster ausgebildet,wodurch in dem Maskenoxidfilm 2 zur Bildung von Gräben Öffnungen 3 gebildetwerden. Das Muster der Öffnungen 3 kannein streifenartiges oder gitterartiges Muster oder eine andere Geometriesein.
    [0034] Anschließend werden,wie es in der 3 gezeigtist, Gräben 4 miteiner gewünschtenTiefe durch Entfernen der Bereiche, die den Öffnungen 3 entsprechen,von dem Siliziumsubstrat 1 gebildet. Die Gräben 4 werdendurch anisotropes Plasmaätzenoder RIE (reaktives Ionenätzen)oder durch anisotropes Nassätzenoder dergleichen unter Verwendung des Oxidfilms 2 als Maskegebildet. Die Gräben weisenim Fall einer Siliziumvorrichtung mit einer Stehspannung von 600V beispielsweise eine Breite von etwa 5 μm und eine Tiefe von etwa 50 μm auf. Bei derSiliziumvorrichtung mit einer Stehspannung von 600 V liegt die Fremdatomkonzentrationdes Siliziumsubstrats 1 vorzugsweise in der Größenordnung von5 × 1015 cm–3 bis 1 × 1016 cm–3.
    [0035] Anschließend wirddas Innere der Gräben 4 mitverdünnterFluorwasserstoffsäureoder gepufferter Fluorwasserstoffsäure gereinigt. Vorzugsweise werdenBeschädigungender Kristalle auf den Innenwändender Gräbenunter Verwendung einer Plasmaätzvorrichtungoder einer CDE oder dergleichen, oder durch Bilden eines Opferoxidfilmsmit einer Dicke von 50 nm oder weniger und anschließend Entfernendes Opferoxidfilms unter Verwendung von Fluorwasserstoffsäure entfernt.
    [0036] DasVerfahren zur Reinigung und Entfernung von Beschädigungen kann eine Spurenmengean Oxid oder amorphem Silizium, die auf den Innenwänden derGräben 4 abgeschiedenist, und die Kristallbeschädigungenund Verunreinigungen auf den Innenwänden der Gräben 4 nahezu vollständig, jedoch nichtperfekt entfernen. Obwohl das Verfahren zur Reinigung und Entfernungvon Beschädigungendie Innenwändeder Gräben 4 ineiner Dicke von etwa wenigen Nanometern bis zu 0,5 Mikrometer erodierenkann, ist dies in der 3 nichtgezeigt.
    [0037] Anschließend wirddas Siliziumsubstrat 1 in einen Epitaxialwachstumsofeneingebracht, um die Oberflächenreinigungdurch Hochtemperaturtempern bei etwa 1000°C durchzuführen. Anschließend wirddem Ofen ein Halogen-enthaltendes Gas, wie z.B. HCl, als Ätzgas zugeführt. Zusätzlich zudem Ätzgaswird ein Trägergaswie z.B. Wasserstoff zugeführt,das allgemein, jedoch nicht ausschließlich verwendet wird. Folglichwerden die Innenwändeder Gräben 4 durch Ätzen ineiner Dicke in der Größenordnungvon etwa wenigen Nanometern bis einem Mikrometer abgetragen, wodurchsaubere Oberflächenbereitgestellt werden.
    [0038] Die Ätztemperaturbeträgtvorzugsweise 1000°Cund mehr, um die Ätzratezu erhöhen.Wenn das Ausmaß des Ätzens geringist, kann sie 1000°C undweniger betragen.
    [0039] DerDruck des Trägergasesbeträgtin der vorliegenden Ausführungsform1 vorzugsweise mehr als 13,3 kPa (100 Torr) und weniger als 101,3kPa (760 Torr). Dies ist darauf zurückzuführen, dass dann, wenn der Trägergasdruck13,3 kPa (100 Torr) und mehr beträgt, die Dampfdiffusionslänge vonHCl oder dergleichen verringert wird, so dass die Konzentrationdes HCl oder dergleichen an den Öffnungen derGräben 4 hochund an den Bödender Gräben 4 niedrigwird, und somit das Ätzenan den Öffnungen derGräben 4 schnellerfortschreitet als an den Böden derGräben 4.Ferner ist es aufgrund der mechanischen Gestaltung des Epitaxialwachstumsofensangemessen, dass die Obergrenze des Trägergasdrucks auf 101,3 kPa(760 Torr) eingestellt wird.
    [0040] Wiees vorstehend beschrieben worden ist, weisen die Gräben 4 einenQuerschnitt auf, der geringfügignach oben geöffnetist, wie es in der 4 gezeigtist, da die Ätzrateam oberen Ende und am Boden der Gräben 4 variiert. Inder 4 ist d1 größer alsd2 (d1 > d2), wobeid1 und d2 die Breiten am oberen Ende bzw. am Boden der Gräben 4 sind.In diesem Fall ist der Verjüngungswinkel α der Seitenwände derGräben87° odergrößer undkleiner als 90°.
    [0041] Während des Ätzens istes wahrscheinlich, dass Facetten mit einer ziemlich geringen Stabilität an denBöden derGräben 4 auftreten.In der 4 ist die Ausnehmungder Seitenwände 5 derGräben 4 durchdas Ätzen übertriebendargestellt. In der Praxis weisen jedoch die Halbleiterregion desp-Typs (die den Gräben 4 entspricht)und die Halbleiterregion des n-Typs (die dem Abschnitt des Halbleitersubstratszwischen zwei angrenzenden Gräben 4 entspricht),die aneinander angrenzen, im Wesentlichen die gleiche Breite aufwie die Komponenten, welche die Superjunction-Struktur bilden.
    [0042] Anschließend wirdbei fortschreitender Verarbeitung in dem Epitaxialwachstumsofenbeispielsweise ein Gas der Silangruppe wie z.B. Dichlorsilan (SiH2Cl2) und Trichlorsilan(SiHCl3) als Wachstumsgas, ein Dotiergaswie z.B. Diboran, ein Halogen-enthaltendes Gas wie z.B. HCl, dasals Ätzgasdient, und Wasserstoff, das als Trägergas dient, in den Ofen eingebracht.Folglich wird, wie es in der 5 gezeigtist, ein Halbleiter des p-Typs 6 in den Gräben 4 derartepitaxial wachsen gelassen, dass die Gräben 4 mit dem Halbleiterdes p-Typs 6 gefülltwerden.
    [0043] DerGrund fürdie Verwendung des vorstehend genannten Chlor-enthaltenden Wachstumsgasesliegt darin, dass die Durchführungdes epitaxialen Wachstums mit dem Ätzen unter Verwendung des Wachstumsgasesverhindern kann, dass die Öffnungender Gräben 4 zuerstblo ckiert werden. Die Anhaftwahrscheinlichkeit des Dichlorsilansist 0,01 oder weniger, wohingegen die Anhaftwahrscheinlichkeit desTrichlorsilans 0,1 oder mehr beträgt. Demgemäß ist das Dichlorsilan bevorzugt,obwohl es eine geringere Wachstumsrate als Trichlorsilan aufweist,da es die Gräbenin einer besser angepassten Weise füllt. Da jedoch die Gräben 4 inder vorliegenden Ausführungsform1 geringfügignach oben geöffnetsind und das Ätzgasin den Gräben 4 geringfügig gemischt wird,ist auch das Trichlorsilan als Wachstumsgas ohne Probleme zu verwenden.
    [0044] Wiees vorstehend beschrieben worden ist, kann in der vorliegenden Ausführungsformverhindert werden, dass Hohlräumein den Gräben 4 zurückbleiben,da das Wachstumsgas Chlor enthältund die Gräben 4 geringfügig nachoben geöffnetsind. Da darüberhinaus der Ätzeffekt,der durch eine geringe Ätzgasmengeverursacht wird, die epitaxiale Wachstumsrate an den Öffnungender Gräben 4 verzögern kann,kann dieser Ätzeffektdie epitaxiale Wachstumsrate an den Böden der Gräben 4 relativ erhöhen. Demgemäß kann der Ätzeffektdie Gräben 4 mitdem Halbleiter des p-Typs 6 füllen, ohne dass in den Gräben 4 Hohlräume zurückbleiben.Ferner kann das gemischte Ätzgasdie Einheitlichkeit der Filmdicke verbessern.
    [0045] ZurVerbesserung der Einheitlichkeit der Filmdicke ist es bevorzugt,dass das Wachstumsgas eine längeredurchschnittliche freie Weglängeaufweist. Demgemäß ist esin dem epitaxialen Wachstumsverfahren bevorzugt, dass der Druckdes Trägergases(Wasserstoff) 13,3 kPa (100 Torr) oder weniger, oder mehr bevorzugt40 Torr oder weniger beträgt.Darüberhinaus beträgtdas Gaszuführungsverhältnis desWachstumsgases (Dichlorsilan (SiH2Cl2)), des Ätzgases(HCl) und des Dotiergases (Diboran) z.B. vorzugsweise 1:1,5:0,01.Diese Werte stellen lediglich ein Beispiel dar und können variieren,wenn die Abscheidungsrate erhöhtoder die Größe und das Seitenverhältnis derGräben 4 geometrischvariiert werden.
    [0046] Nachdemdie Gräben 4 gefüllt wordensind, kann eine Spurenmenge an Polysilizium 7 an den Kantendes Maskenoxidfilms 2 anhaften, wie es in der 5 gezeigt ist. Folglichwerden das Polysilizium 7 und der Maskenoxidfilm 2 indem anschließendenOberflächenpolierverfahrenentfernt. Auf diese Weise wird der Superjunction-Wafer vervollständigt.
    [0047] Gemäß der vorliegendenAusführungsform1 werden die Innenwändeder Gräben 4 alssaubere Oberflächenbereitgestellt und die Gräben 4 sindgeringfügignach oben geöffnet,da die Innenwändeder Gräben 4 indem Ätzverfahrennach der Bildung der Gräbenin einer Dicke von wenigen Nanometern bis einem Mikrometer geätzt werden.Demgemäß können inder vorliegenden Ausführungsform1 die Gräben 4 miteinem epitaxialen Film mit hoher Kristallqualität gefüllt werden, ohne in den Gräben 4 einen Hohlraumzurückzulassen.
    [0048] Die 6 und 7 sind Querschnittsansichten, die einerfindungsgemäßes Verfahrenzur Herstellung eines Halbleiterwafers gemäß einer Ausführungsform2 zeigen. Die Ausführungsform2 unterscheidet sich von der vorstehenden Ausführungsform 1 darin, dass dann,wenn die Seitenwände 5 der Gräben 4 ausden Ebenen bestehen, auf denen in dem Ätzverfahren nach der Bildungder GräbenFacetten ausgebildet werden, die Ebenen zu den Seitenwänden derGräben 4 hinfreiliegen und sich nicht von den Seitenwänden der Gräben geringfügig nach oben öffnen.
    [0049] AlsEbenen, die in dem Siliziumkristall Facetten bilden, sind die (111)-Ebene,die (311)-Ebene, die (411)-Ebene, die (100)-Ebene und die Ebenenbekannt, die zu diesen Ebenen äquivalentsind. Folglich werden die Seitenwände 5 der Gräben 4 zur (111)-Ebene,(311)-Ebene, (411)-Ebene,(100)-Ebene und den Ebenen gemacht, die zu diesen Ebenen äquivalentsind. Andere Ebenenorientierungen sind ebenfalls möglich, solangees sich um Ebenen handelt, welche die Facettenbildung ermöglichen.
    [0050] Inder Ausführungsform2 ist es bevorzugt, dass das Ätzenunter Verwendung des Ätzgaseswie z.B. HCl einheitlich auf allen Regionen der Gräben 4 fortschreitet,so dass die Oberflächenrauhigkeitgeglättetwird, um flache Facetten zu bilden. Um dies zu erreichen wird derDruck des Trägergasesauf einen Wert von 13,3 kPa (100 Torr) oder weniger und vorzugsweiseauf einen Wert von 5,3 kPa (40 Torr) oder weniger eingestellt.
    [0051] DieGründedafür sindwie folgt. Als erstes ermöglichtes der Druck, der eine Ausdehnung der Dampfdiffusionslänge vonHCl oder dergleichen zu den Bödender Gräben 4 zulässt, eineinheitliches Ätzenaller Regionen, einschließlichder Bödender Gräben 4.Zweitens gilt bezüglichder von dem Kristall gebildeten Facetten, dass deren Ebenen eine hoheStabilitätaufweisen und die Neigung gleichmäßig wird, wodurch sie Eigenschaftendahingehend aufweisen, dass ein lokales Ätzen oder ein Anhaften einesepitaxialen Films nur schwer auftreten kann.
    [0052] Das Ätzen unterdiesen Bedingungen kann durch Erodieren der Innenwände derGräben 4 ineiner Dicke von etwa wenigen Nanometern bis einem Mikrometer saubereOberflächenerzeugen, wie es in der 6 gezeigtist, wobei die Seitenwändeder Gräben 4 senkrechtzur Substratoberflächeangeordnet bleiben. Obwohl die Ausnehmung der Seitenwände 5 derGräben 4 durchdas Ätzenin der 6 übertriebendargestellt ist, ist die Breite der Gräben 4 nahezu mit derBreite des Halbleitersubstratabschnitts zwischen den beiden angrenzendenGräben 4 identisch,wie dies auch in der Ausführungsform1 der Fall ist.
    [0053] Nachdem Ätzverfahrenwird nach und nach ein epitaxiales Wachstum durchgeführt. AlsFolge davon wächstder Halbleiter des p-Typs 6 epitaxial in den Gräben 4,bis er die Gräben 4 füllt, wiees in der 7 gezeigtist. Der Maskenoxidfilm 2 und das auf dessen Kanten abgeschiedenePolysilicium 7 werden durch das nachfolgende Oberflächenpolierverfahrenentfernt. Auf diese Weise wird der Superjunction-Wafer vervollständigt. Dain der vorliegenden Ausführungsform2 die von dem vorstehend beschriebenen Ätzverfahren verschiedenen Verfahren mitden entsprechenden Verfahren in der Ausführungsform 1 identisch sind,wird auf deren Beschreibung verzichtet.
    [0054] Gemäß der vorstehendbeschriebenen vorliegenden Ausführungsform2 werden die Innenwändeder Gräben 4 indem Ätzverfahrennach der Bildung der Gräbenin einem Bereich von wenigen Nanometern bis einem Mikrometer oderweniger geätzt. Folglichwerden die Innenwändeder Gräben 4 als saubereOberflächenbereitgestellt und die Ebenen, welche die Facettenbildung auf denSeitenwänden derGräben 4 ermöglichen,sind freigelegt. Demgemäß können inder vorliegenden Ausführungsform2 die Gräben 4 mitdem epitaxialen Film mit hoher Kristallqualität gefüllt werden, ohne in den Gräben 4 einenHohlraum zurückzulassen.
    [0055] Die 8 bis 13 sind Querschnittsansichten, die einerfindungsgemäßes Verfahrenzur Herstellung eines Halbleiterwafers gemäß einer Ausführungsform3 zeigen. Die Ausführungsform3 unterscheidet sich von den vorstehenden Ausführungsformen 1 und 2 in demfolgenden Punkt. In den Ausführungsformen1 und 2 werden in dem epitaxialen Wachstumsverfahren das Wachstumsgasund das Ätzgasgleichzeitig dem Ofen zugeführt.Im Gegensatz dazu wird in der Ausführungsform 3 das epitaxialeWachstum durch abwechselndes Zuführendes Wachstumsgases und des Ätzgasesin den Ofen nach und nach durchgeführt.
    [0056] Inden Gräben 4 sindauf deren Seitenwänden 5 Facettenausgebildet, wie es in der 8 gezeigtist. Anschließendwird der Halbleiter des p-Typs 6 durch Zuführen desWachstumsgases in dem epitaxialen Wachstumsverfahren ohne Zuführen des Ätzgasesepitaxial wachsen gelassen. Der gewachsene epitaxiale Film ist anden Bödender Gräben 4 dickund an den Seitenwändender Gräben 4 dünn, wiees in der 9 gezeigtist. Anschließendwird anstelle des Wachstumsgases das Ätzgas zugeführt, so dass der auf den Seitenwänden derGräben 4 abgeschiedene epitaxialeFilm durch das Ätzenentfernt wird, wie es in der 10 gezeigtist. Da der an den Bödender Gräben 4 abgeschiedeneepitaxiale Film dick ist, bleibt der größte Teil davon zurück.
    [0057] DasWachstumsgas wird erneut anstelle des Ätzgases zugeführt, sodass der epitaxiale Film auf den Böden der Gräben 4 dicker wirdund ein dünner epitaxialenFilm auf den Seitenwänden 5 derGräben 4 abgeschiedenwird. Dann wird als zugeführtesGas erneut das Ätzgasverwendet, so dass der auf den Seitenwänden 5 der Gräben 4 abgeschiedeneepitaxiale Film entfernt wird, wobei nur ein dicker epitaxialerFilm auf den Bödender Gräben 4 zurückbleibt. Durchdie Wiederholung dieser Schritte werden die Gräben 4 mit dem Halbleiterdes p-Typs 6 gefüllt.Die 9 und 10 zeigen die Zwischenzustände derFüllungder Gräben 4.
    [0058] Wennjedoch das epitaxiale Wachstum und das Ätzen unter den gleichen Bedingungenabwechselnd durchgeführtwerden, könnendie Seitenwände 5 derGräben 4 zurückweichen,wie es in den 11 bis 13 gezeigt ist, wenn sichdie Breiten der Gräben 4 unterscheiden.Die 11 zeigt den Zustandder Gräbenund die 12 zeigt denZustand, bei dem das epitaxiale Wachstum durch Stoppen des Ätzgasesund Zuführendes Wachstumsgases durchgeführtwird. Wenn die Zuführungdes Wachstumsgases gestoppt wird und das Ätzgas in diesem Zustand zugeführt wird,tritt der in der 13 gezeigteZustand auf: Durch das Ätzenwird nicht nur der auf den Seitenwänden der Gräben 4 abgeschiedeneepitaxiale Film entfernt, sondern es werden auch die Seitenwände derGräben 4 erodiert.Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass das Ausmaß des Ätzens größer ist alsdas Ausmaß desepitaxialen Wachstums an den Seitenwänden der Gräben.
    [0059] Folglichvariiert der Arbeitszyklus zwischen der Zeit des epitaxialen Wachstumsund der Zeit des Ätzensabhängigvon der Breite, dem Seitenverhältnisund der Geometrie der Gräben 4.Demgemäß müssen dieBedingungen aufeinander abgestimmt werden.
    [0060] Dievorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenenAusführungsformenbeschränkt,sondern es sind viele Modifizierungen möglich. Beispielsweise sinddie Breite und die Tiefe der Gräben 4 unddie Fremdatomkonzentrationen der Halbleiter nicht auf die vorstehendgenannten Werte beschränkt.
    [0061] Dievorliegende Erfindung wurde detailliert bezüglich bevorzugter Ausführungsformenbeschrieben und dem Fachmann ist nunmehr klar, dass Änderungenund Modifizierungen durchgeführtwerden können,ohne von der Erfindung im weiteren Sinn abzuweichen, und alle derartigen Änderungenund Modifizierungen sollen deshalb von den beigefügten Ansprüchen umfasstsein.
    [0062] Eswird explizit fest gehalten, dass alle in der Beschreibung und/oderden Ansprüchenoffenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweckder ursprünglichenOffenbarung ebenso wie zum Zweck des Beschränkens der beanspruchten Erfindungoffenbart sein sollen, unabhängigvon den Zusammensetzungen der Merkmale in den Ausführungsformenund/oder den Ansprüchen.Es wird explizit festgehalten, dass alle Wertebereiche oder Angabenvon Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder jedemöglicheZwischeneinheit bezüglichder ursprünglichenOffenbarung ebenso wie zum Zweck des Beschränkens der beanspruchten Erfindung,insbesondere als Grenzen von Wertebereichen, offenbaren.
    权利要求:
    Claims (6)
    [1] Ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterwafers,das die Schritte des Bildens von Gräben (4) mit einemgewünschtenMuster in einer Oberflächenschichteines Halbleitersubstrats eines ersten Leitungstyps (1),und des Füllensder Gräben(4) mit einem Halbleiter eines zweiten Leitungstyps (6)in einem Gasofen umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass esdie Schritte des Durchführenseines Ätzensauf freiliegenden Ebenen innerhalb der Gräben (4) in einem Gasofen durchZuführenvon Ätzgasin den Gasofen, und des Füllensder Gräben(4) durch epitaxiales Wachstum des Halbleiters eines zweitenLeitungstyps (6) in den Gräben (4) umfasst, nachdemdas Ätzenabgeschlossen worden ist.
    [2] Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im Schritt des Ätzens das Ätzen durchEinstellen des Drucks eines Trägergasesauf einen Wert von 13,3 kPa (100 Torr) oder mehr und 101,3 kPa (760Torr) oder weniger durchgeführtwird.
    [3] Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem im Schrittdes Füllensdas epitaxiale Wachstum durch Einstellen der Kristallebenenorientierungender Seitenwände(5) der Gräben(4) auf Orientierungen, die eine Facettenbildung ermöglichen,und gleichzeitiges Zuführenvon Ätzgasund Wachstumsgas in den Gasofen durchgeführt wird, um das epitaxialeWachstum des Halbleiters eines zweiten Leitungstyps (6)zu beschleunigen.
    [4] Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem im Schrittdes Füllensdas epitaxiale Wachstum durch Einstellen der Kristallebenenorientierungender Seitenwände(5) der Gräben(4) auf Orientierungen, die eine Facettenbildung ermöglichen,und abwechselndes Zuführenvon Ätzgasund Wachstumsgas in den Gasofen durchgeführt wird, um das epitaxiale Wachstumdes Halbleiters eines zweiten Leitungstyps (6) zu beschleunigen.
    [5] Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei dem das Wachstumsgasein Dichlorsilangas ist.
    [6] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem im Schrittdes Ätzensdas Ätzenauf den freiliegenden Ebenen innerhalb der Gräben (4) derart durchgeführt wird,dass die Breiten der Öffnungen(3) der Gräben(4) größer werdenals die Breiten der Bödender Gräben(4).
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    DE102004010676B4|2009-04-16|
    JP2004273742A|2004-09-30|
    US7029977B2|2006-04-18|
    JP4695824B2|2011-06-08|
    US20040185665A1|2004-09-23|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2007-02-08| 8110| Request for examination paragraph 44|
    2009-10-08| 8364| No opposition during term of opposition|
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