JP2004158835A - Method of manufacturing super junction semiconductor element - Google Patents
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- H01L29/063—Reduced surface field [RESURF] pn-junction structures
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Abstract
Description
本発明は、超接合半導体素子の製造方法に関し、より詳細には、MOSFET(絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)やIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)、バイポーラトランジスタ、ダイオード等に適用可能な高耐圧化と大電流容量化を両立させることのできる超接合半導体素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a super-junction semiconductor device, and more specifically, to a method for manufacturing a MOSFET (insulated gate type field effect transistor), an IGBT (insulated gate type bipolar transistor), a bipolar transistor, a diode, and the like. The present invention relates to a method for manufacturing a super-junction semiconductor element capable of achieving both high current capacity.
従来の高耐圧半導体素子は、高い降伏電圧を得るために主電流経路に高比抵抗のドリフト領域を設けており、高耐圧のものほどこの部分の電圧降下が大きくなるので、オン電圧が高くなるという問題があった。この問題の解決法として、ドリフト層を、不純物濃度を高めたn型半導体領域とp型半導体領域とを交互に積層した並列pn層(これを、超接合構造とよぶ)で構成し、オフ状態の時は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が公知である(たとえば、特許文献1、特許文献2、特許文献3、特許文献4参照。)。
Conventional high-breakdown-voltage semiconductor elements are provided with a high-resistivity drift region in the main current path in order to obtain a high breakdown voltage, and the higher the breakdown voltage, the greater the voltage drop in this portion, so the on-voltage increases. There was a problem. As a solution to this problem, the drift layer is composed of a parallel pn layer in which an n-type semiconductor region and a p-type semiconductor region with an increased impurity concentration are alternately stacked (this is called a super-junction structure). In such a case, a semiconductor device having a structure that is depleted to bear the breakdown voltage is known (for example, refer to Patent Literature 1,
上述した超接合構造を低コストで量産するため、n型(またはp型)の半導体基板に複数のトレンチを形成し、そのトレンチ内にp型(またはn型)の半導体をエピタキシャル成長させる方法が開発されている。また、超接合構造に限らず、トレンチ内に半導体をエピタキシャル成長させる技術(たとえば、特許文献5、特許文献6参照。)や、CVD法によりトレンチ内を埋め込む技術(たとえば、特許文献7参照。)が公知である。
In order to mass-produce the above-mentioned super junction structure at low cost, a method of forming a plurality of trenches in an n-type (or p-type) semiconductor substrate and epitaxially growing a p-type (or n-type) semiconductor in the trenches has been developed. Have been. In addition to the super-junction structure, a technique for epitaxially growing a semiconductor in a trench (for example, see
しかしながら、従来のトレンチ内に半導体をエピタキシャル成長させる技術では、トレンチ内部にボイド(気泡)が残ったままトレンチ開口部が閉じてしまうという問題点がある。これは、図19に示すように、材料ガスの流れ13は、拡散過程にしたがってトレンチ11内を開口部から底部に向かうが、その過程で材料原子を失っていくことが原因である。つまり、トレンチ開口部からトレンチ底部に向かって成長ガスの濃度が低くなり、それによって、トレンチ開口部においてトレンチ底部よりも厚くエピタキシャル成長層12が成長するからである。
However, the conventional technique of epitaxially growing a semiconductor in a trench has a problem that the trench opening is closed with voids (bubbles) remaining in the trench. This is because, as shown in FIG. 19, the
そこで、図20に示すように、トレンチ14を、その縦断面形状がV字状になるように形成し、その中に半導体をエピタキシャル成長させることによって、トレンチ開口部がふさがる前にトレンチ内を半導体で埋め込む方法がある。この方法において、トレンチ14のアスペクト比を10以上にするためには、トレンチ側壁15のテーパー角を85°以上90°未満に設定する必要があるが、テーパー角を85°にしても、トレンチ開口部がふさがる問題を十分に解決することはできない。
Therefore, as shown in FIG. 20, the
ここで、図20に示すように、トレンチのアスペクト比とは、トレンチ14の深さおよび基板表面におけるトレンチ14の開口幅をそれぞれdおよびwとすると、[d/w]で表される。また、トレンチ側壁のテーパー角とは、基板表面16に平行な仮想面、たとえばトレンチ底部を通る基板表面16に平行な仮想面17に対するトレンチ側壁15の角度αのことである。
Here, as shown in FIG. 20, the aspect ratio of the trench is represented by [d / w], where d and w are the depth of the
また、トレンチ側壁のテーパー角が85°であるトレンチに対してエピタキシャル成長をおこなうと、図21に示すように、エピタキシャル成長の最終段階で、エピタキシャル成長層12内にナノスケールのボイド18や、転位(結晶格子ずれ)19が生じるという問題点がある。これは、相対峙するトレンチ側壁15からトレンチ14の中央に向かって成長したエピタキシャル成長層12の成長面が両側から平行に合体するため生じると考えられる。
When epitaxial growth is performed on a trench having a taper angle of 85 ° on the side wall of the trench, as shown in FIG. 21, nano-
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、トレンチ底部における半導体のエピタキシャル成長を促進するとともに、トレンチ開口部での成長を抑制することによって、ボイドや結晶格子ずれを発生させることなく、トレンチ内を半導体で埋め込むことができ、それによって、超接合半導体素子を簡易に量産性よく製造することができる超接合半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and promotes the epitaxial growth of a semiconductor at the bottom of a trench and suppresses the growth at the opening of the trench, so that voids and crystal lattice misalignment do not occur. It is another object of the present invention to provide a method of manufacturing a super junction semiconductor device which can fill a trench with a semiconductor, thereby easily manufacturing a super junction semiconductor device with good mass productivity.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、第1導電型の半導体基板に設けられた、深さがdで基板表面における開口幅がwのトレンチ内に、第2導電型の半導体が埋め込まれた構造を有する超接合半導体素子を製造するにあたって、第1導電型の半導体基板に、側壁が基板表面に対して垂直か、または略垂直のトレンチ上半部を形成する工程と、前記トレンチ上半部につづいてその下に、側壁が前記トレンチ上半部の側壁よりも緩く傾斜し、かつ前記トレンチ上半部との境界からの深さがhのトレンチ下半部を形成する工程と、前記トレンチ上半部および前記トレンチ下半部よりなるトレンチ内に、第2導電型の半導体をエピタキシャル成長させる工程と、を含むことを特徴とする。この発明によれば、トレンチ下半部の縦断面形状がV字状もしくは略V字状となるため、エピタキシャル成長時に、トレンチ下半部での原子層ステップの供給が盛んになり、トレンチ底部の成長速度が、トレンチ開口部の成長速度よりも相対的に速くなる。 In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is characterized in that a trench of a second conductivity type is provided in a trench having a depth d and an opening width w in a substrate surface provided in a semiconductor substrate of the first conductivity type. In manufacturing a super-junction semiconductor device having a structure in which a semiconductor is embedded, a step of forming an upper half of a trench whose side wall is perpendicular to or substantially perpendicular to the substrate surface in a semiconductor substrate of the first conductivity type; Subsequent to the upper half of the trench, a lower side wall is formed, the side wall of which is more gradually inclined than the side wall of the upper half of the trench, and whose depth from the boundary with the upper half of the trench is h. And a step of epitaxially growing a second conductivity type semiconductor in a trench formed by the upper half portion of the trench and the lower half portion of the trench. According to the present invention, since the vertical cross section of the lower half of the trench is V-shaped or substantially V-shaped, the supply of atomic layer steps in the lower half of the trench becomes active during epitaxial growth, and the growth of the bottom of the trench is increased. The rate is relatively faster than the growth rate of the trench opening.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、[h<d/2]を満たすことを特徴とする。ここで、トレンチ下半部の深さhが、トレンチ全体の深さdの1/2よりも小さいのは、トレンチ上半部では、第1導電型の半導体基板の総電荷量と第2導電型の半導体の総電荷量とのバランスが保たれるが、トレンチ下半部では、第2導電型の半導体の総電荷量が第1導電型の半導体基板の総電荷量を上回り、バランスが崩れるからである。バランスが崩れる領域では耐圧が墜ちる傾向がある、そのため、トレンチの全深さdのうち、バランスが崩れる領域hが占める深さは半分以下であることが望ましい。この発明によれば、上記のことから、超接合構造の特徴である高耐圧を保持し、かつエピタキシャル成長が容易な形状を実現することができる。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, [h <d / 2] is satisfied. Here, the reason why the depth h of the lower half of the trench is smaller than の of the depth d of the entire trench is that the total charge amount of the semiconductor substrate of the first conductivity type and the second conductivity are lower in the upper half of the trench. Although the balance with the total charge of the semiconductor of the type is maintained, in the lower half of the trench, the total charge of the semiconductor of the second conductivity exceeds the total charge of the semiconductor substrate of the first conductivity, and the balance is lost. Because. The breakdown voltage tends to fall in the region where the balance is lost. Therefore, it is desirable that the depth h occupied by the region h where the balance is lost is less than half of the total depth d of the trench. According to the present invention, from the above, it is possible to maintain a high breakdown voltage, which is a feature of the super junction structure, and to realize a shape that facilitates epitaxial growth.
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の発明において、前記トレンチ下半部の側壁は、トレンチ底部を通る基板表面に平行な仮想面に対して85°以下の角度で傾いており、前記トレンチ下半部はV字状の縦断面形状をなしていることを特徴とする。この発明によれば、エピタキシャル成長時に、トレンチ下半部での原子層ステップの供給が盛んになり、トレンチ底部の成長速度が、トレンチ開口部の成長速度よりも相対的に速くなる。ここで、トレンチ下半部の側壁のテーパー角を85°以下にすることによって、材料ガスが先端部に達するまでに側壁に吸着されたり、側壁の成長速度が上がってもボイドや転位を残しやすくなってしまうことを防止することができる。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the side wall of the lower half of the trench is inclined at an angle of 85 ° or less with respect to a virtual plane parallel to the substrate surface passing through the bottom of the trench. The lower half of the trench has a V-shaped vertical cross section. According to the present invention, during epitaxial growth, the supply of atomic layer steps in the lower half of the trench becomes active, and the growth rate at the bottom of the trench becomes relatively faster than the growth rate at the opening of the trench. Here, by setting the taper angle of the side wall of the lower half of the trench to 85 ° or less, the material gas is easily adsorbed on the side wall by the time it reaches the tip, or voids and dislocations are easily left even if the growth rate of the side wall increases. Can be prevented.
請求項4に記載の発明は、請求項1〜3のいずれか一つに記載の発明において、[10≦d/w]を満たすことを特徴とする。この発明によれば、アスペクト比が10以上の深いトレンチにおいても、エピタキシャル成長時に、トレンチ下半部での原子層ステップの供給が盛んになり、トレンチ底部の成長速度が、トレンチ開口部の成長速度よりも相対的に速くなる。 According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, [10 ≦ d / w] is satisfied. According to the present invention, even in a deep trench having an aspect ratio of 10 or more, the supply of atomic layer steps in the lower half of the trench becomes active during epitaxial growth, and the growth rate of the trench bottom is lower than the growth rate of the trench opening. Is also relatively fast.
請求項5に記載の発明は、請求項1〜4のいずれか一つに記載の発明において、前記トレンチ下半部の側壁、または前記トレンチ下半部と上半部の側壁が、ファセットを形成する低指数面であることを特徴とする。仮に、これらの側壁がファセットを形成する低指数面でない場合、側壁のいたるところで核形成が起こりやすく、特に材料ガス濃度が高い開口部に近いほど核形成が盛んとなり、エピタキシャル成長速度が速くなって開口部をふさぎやすくなる。この発明によれば、側壁がファセットであり安定な結晶面であるため、核形成が起こりにくく、材料ガス濃度が高い開口部付近でもエピタキシャル成長速度は0または非常に遅くなる。しかし、トレンチ底部では原子層ステップの供給が続くためエピタキシャル成長が速いので、開口部がふさがることなくエピタキシャル層でトレンチを埋め込むことができる。 According to a fifth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to fourth aspects, the sidewall of the lower half of the trench or the sidewall of the lower half and the upper half of the trench forms a facet. Low index surface. If these sidewalls are not low-index faces that form facets, nucleation is likely to occur throughout the sidewalls, and nucleation is particularly active near the opening where the material gas concentration is high, and the epitaxial growth rate is increased and the epitaxial growth rate is increased. It becomes easier to close the part. According to the present invention, since the side wall is a facet and a stable crystal plane, nucleation is unlikely to occur, and the epitaxial growth rate becomes zero or extremely slow even near the opening where the material gas concentration is high. However, since the supply of atomic layer steps continues at the bottom of the trench, the epitaxial growth is fast, so that the trench can be filled with the epitaxial layer without closing the opening.
請求項6に記載の発明は、請求項1〜5のいずれか一つに記載の発明において、前記半導体基板を、前記トレンチの開口部からトレンチ底部へ向かって基板内の温度が低くなるように保持した状態で、前記トレンチ内に液相成長または略1000℃以上の気相成長によって第2導電型の半導体をエピタキシャル成長させることを特徴とする。この発明によれば、エピタキシャル成長時に、トレンチ下半部での原子層ステップの供給が盛んであるのに加えて、トレンチ底部が低温であることにより、トレンチ底部の成長速度がトレンチ開口部の成長速度よりもより一層相対的に速くなる。 According to a sixth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the temperature of the semiconductor substrate is reduced such that the temperature in the substrate decreases from the opening of the trench toward the bottom of the trench. The semiconductor of the second conductivity type is epitaxially grown in the trench by liquid phase growth or vapor phase growth at about 1000 ° C. or higher in the trench. According to the present invention, during epitaxial growth, in addition to the active supply of atomic layer steps in the lower half of the trench and the low temperature of the trench bottom, the growth rate of the trench bottom is reduced by the growth rate of the trench opening. Much faster than before.
請求項7に記載の発明は、請請求項1〜5のいずれか一つに記載の発明において、前記半導体基板を、前記トレンチの開口部からトレンチ底部へ向かって基板内の温度が高くなるように保持した状態で、前記トレンチ内に略1000℃以下の気相成長によって第2導電型の半導体をエピタキシャル成長させることを特徴とする。この発明によれば、エピタキシャル成長時に、トレンチ下半部での原子層ステップの供給が盛んであるのに加えて、トレンチ底部が高温であることにより、トレンチ底部の成長速度がトレンチ開口部の成長速度よりもより一層相対的に速くなる。 The invention according to claim 7 is the invention according to any one of claims 1 to 5, wherein the temperature of the semiconductor substrate is increased from the opening of the trench toward the bottom of the trench. And a semiconductor of the second conductivity type is epitaxially grown in the trench by vapor phase growth at about 1000 ° C. or less. According to the present invention, during epitaxial growth, in addition to the active supply of atomic layer steps in the lower half of the trench, the high temperature of the trench bottom allows the growth rate of the trench bottom to be reduced by the growth rate of the trench opening. Much faster than before.
請求項8に記載の発明は、請求項1〜7のいずれか一つに記載の発明において、減圧CVD法により、前記トレンチ内に第2導電型の半導体をエピタキシャル成長させることを特徴とする。この発明によれば、減圧CVD法によるエピタキシャル成長時に、トレンチ下半部での原子層ステップの供給が盛んになり、トレンチ底部の成長速度が、トレンチ開口部の成長速度よりも相対的に速くなる。 According to an eighth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, a semiconductor of the second conductivity type is epitaxially grown in the trench by a low pressure CVD method. According to the present invention, during epitaxial growth by the low pressure CVD method, the supply of atomic layer steps in the lower half of the trench becomes active, and the growth rate at the bottom of the trench is relatively higher than the growth rate at the opening of the trench.
請求項9に記載の発明は、請求項1〜8のいずれか一つに記載の発明において、前記トレンチ内に開口部からパイプを挿入し、エピタキシャル成長用の材料ガスを、前記パイプ内を通してトレンチ底部にのみ供給することを特徴とする。この発明によれば、エピタキシャル成長時に、トレンチ下半部での原子層ステップの供給が盛んであるのに加えて、トレンチ底部での成長ガス濃度がトレンチ開口部での成長ガス濃度よりも高くなることにより、トレンチ底部の成長速度が、トレンチ開口部の成長速度よりもより一層相対的に速くなる。 According to a ninth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to eighth aspects, a pipe is inserted into the trench from an opening, and a material gas for epitaxial growth is passed through the pipe to form a bottom portion of the trench. It is characterized in that it is supplied only to According to the present invention, during epitaxial growth, in addition to the active supply of atomic layer steps in the lower half of the trench, the growth gas concentration at the trench bottom becomes higher than the growth gas concentration at the trench opening. As a result, the growth rate at the bottom of the trench becomes much higher than the growth rate at the opening of the trench.
また、上記目的を達成するため、請求項10に記載の発明は、第1導電型の半導体基板に設けられたトレンチ内に、第2導電型の半導体が埋め込まれた構造を有する超接合半導体素子を製造するにあたって、第1導電型の半導体基板にトレンチを形成する工程と、前記半導体基板を、前記トレンチの開口部からトレンチ底部へ向かって基板内の温度が低くなるように保持した状態で、前記トレンチ内に液相成長または略1000℃以上の気相成長によって第2導電型の半導体をエピタキシャル成長させる工程と、を含むことを特徴とする。この発明によれば、エピタキシャル成長時に、トレンチ底部が低温であるため、トレンチ底部の成長速度がトレンチ開口部の成長速度よりも相対的に速くなる。 According to another aspect of the present invention, there is provided a super junction semiconductor device having a structure in which a semiconductor of a second conductivity type is embedded in a trench provided in a semiconductor substrate of a first conductivity type. Forming a trench in the semiconductor substrate of the first conductivity type, and holding the semiconductor substrate so that the temperature in the substrate decreases from the opening of the trench toward the bottom of the trench, Epitaxially growing a second conductivity type semiconductor by liquid phase growth or vapor phase growth at about 1000 ° C. or higher in the trench. According to the present invention, at the time of epitaxial growth, the temperature at the bottom of the trench is low, so that the growth rate at the bottom of the trench is relatively higher than the growth rate at the opening of the trench.
請求項11に記載の発明は、第1導電型の半導体基板に設けられたトレンチ内に、第2導電型の半導体が埋め込まれた構造を有する超接合半導体素子を製造するにあたって、第1導電型の半導体基板にトレンチを形成する工程と、前記半導体基板を、前記トレンチの開口部からトレンチ底部へ向かって基板内の温度が高くなるように保持した状態で、前記トレンチ内に略1000℃以下の気相成長によって第2導電型の半導体をエピタキシャル成長させる工程と、を含むことを特徴とする。この発明によれば、エピタキシャル成長時に、トレンチ底部が高温であるため、トレンチ底部の成長速度がトレンチ開口部の成長速度よりもより一層相対的に速くなる。 According to an eleventh aspect of the present invention, in manufacturing a super junction semiconductor element having a structure in which a semiconductor of a second conductivity type is embedded in a trench provided in a semiconductor substrate of a first conductivity type, the first conductivity type is used. Forming a trench in the semiconductor substrate, and holding the semiconductor substrate so that the temperature in the substrate increases from the opening of the trench toward the bottom of the trench. Epitaxially growing a semiconductor of the second conductivity type by vapor phase growth. According to the present invention, since the trench bottom is at a high temperature during epitaxial growth, the growth rate at the trench bottom is much higher than the growth rate at the trench opening.
請求項12に記載の発明は、請求項10または11に記載の発明において、減圧CVD法により、前記トレンチ内に第2導電型の半導体をエピタキシャル成長させることを特徴とする。この発明によれば、減圧CVD法によるエピタキシャル成長時に、トレンチ底部が低温であるため、トレンチ底部の成長速度が、トレンチ開口部の成長速度よりも相対的に速くなる。 According to a twelfth aspect of the present invention, in the tenth or eleventh aspect, a semiconductor of the second conductivity type is epitaxially grown in the trench by a low pressure CVD method. According to the present invention, the growth rate of the trench bottom is relatively higher than the growth rate of the trench opening because the temperature at the bottom of the trench is low during the epitaxial growth by the low pressure CVD method.
また、上記目的を達成するため、請求項13に記載の発明は、第1導電型の半導体基板に設けられたトレンチ内に、第2導電型の半導体が埋め込まれた構造を有する超接合半導体素子を製造するにあたって、第1導電型の半導体基板にトレンチを形成する工程と、前記トレンチ内に開口部からパイプを挿入し、エピタキシャル成長用の材料ガスを、前記パイプ内を通してトレンチ底部にのみ供給しながら、前記トレンチ内に第2導電型の半導体をエピタキシャル成長させる工程と、を含むことを特徴とする。この発明によれば、エピタキシャル成長時に、トレンチ底部での成長ガス濃度がトレンチ開口部での成長ガス濃度よりも高くなるため、トレンチ底部の成長速度が、トレンチ開口部の成長速度よりも相対的に速くなる。 According to another aspect of the present invention, there is provided a super-junction semiconductor device having a structure in which a semiconductor of a second conductivity type is embedded in a trench provided in a semiconductor substrate of a first conductivity type. Forming a trench in a semiconductor substrate of the first conductivity type, inserting a pipe into the trench through an opening, and supplying a material gas for epitaxial growth only to the trench bottom through the pipe. And epitaxially growing a second conductivity type semiconductor in the trench. According to the present invention, at the time of epitaxial growth, the growth gas concentration at the trench bottom becomes higher than the growth gas concentration at the trench opening, so that the growth rate at the trench bottom is relatively higher than the growth rate at the trench opening. Become.
本発明によれば、エピタキシャル成長時に、トレンチ下半部での原子層ステップの供給が盛んになり、トレンチ底部の成長速度が、トレンチ開口部の成長速度よりも相対的に速くなるため、ボイドや結晶格子ずれを発生させることなく、トレンチ内を半導体で埋め込むことができる。したがって、超接合半導体素子を簡易に量産性よく製造することができる。 According to the present invention, during epitaxial growth, the supply of atomic layer steps in the lower half of the trench becomes active, and the growth rate at the bottom of the trench becomes relatively faster than the growth rate at the opening of the trench. The trench can be filled with the semiconductor without causing a lattice shift. Therefore, a super-junction semiconductor element can be easily manufactured with good mass productivity.
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、本発明は、耐圧領域を構成する超接合構造の製造方法にかかわるものであるため、ソースやドレインの構造およびそれらの製造プロセス等については任意であり、以下の説明および添付図面では省略する。したがって、本発明は、MOSFET、IGBT、バイポーラトランジスタ、GTOサイリスタまたはダイオード等に適用される。また、以下の説明では、第1導電型をn型とし、第2導電型をp型とするが、その逆の場合も同様である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Since the present invention relates to a method for manufacturing a super junction structure forming a breakdown voltage region, the structures of the source and drain and the manufacturing process thereof are arbitrary, and are omitted in the following description and the accompanying drawings. . Therefore, the present invention is applied to a MOSFET, an IGBT, a bipolar transistor, a GTO thyristor or a diode. In the following description, the first conductivity type is n-type, and the second conductivity type is p-type. The same applies to the opposite case.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1にかかる製造方法により製造された超接合構造の構成を示す縦断面図である。図1に示すように、n型半導体基板2に深さdのトレンチ3が複数形成されており、それらトレンチ3内は、エピタキシャル成長されたp型半導体4により埋められている。トレンチ3は、基板表面21からの深さが[d−h]のトレンチ上半部31と、このトレンチ上半部31の下につづく、トレンチ上半部31との境界からの深さがhのトレンチ下半部36とから構成されている。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a vertical cross-sectional view showing the configuration of the super-joined structure manufactured by the manufacturing method according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a plurality of
トレンチ上半部31の側壁32は、基板表面21に対してたとえば垂直になっている。すなわち、トレンチ上半部31の側壁32のテーパー角はたとえば90°である。また、トレンチ下半部36の側壁37のテーパー角はたとえば85°以下である。トレンチ下半部36は、その縦断面形状がたとえばV字状をなすように形成されている。
The
ここで、特に限定しないが、たとえばトレンチ下半部36の深さhは、トレンチ全体の深さdの1/2よりも小さいとよい。すなわち、[h<d/2]を満たすとよい。また、基板表面21におけるトレンチ3の開口幅をwとすると、超接合構造におけるトレンチ3の一般的なアスペクト比d/wは10以上である。トレンチ下半部36の側壁37はファセットを形成する低指数面であることが望ましい。具体的には、半導体材料としてシリコンを用いた場合、ファセットを形成しやすいのは(1,1,1)面、(1,0,0)面、(3,1,1)面、(4,1,1)面などであるが、これら以外にも、エピタキシャル成長時の基板温度、真空度または材料原子の供給圧力などの条件に依存して、ファセットを形成しやすい面方位が存在する。
Here, although not particularly limited, for example, the depth h of the
つぎに、本発明の実施の形態1にかかる製造方法について図2〜図12を参照しつつ説明する。まず、低抵抗のn型半導体基板2を用意し、その表面21を、エピタキシャル成長のマスクとなる酸化膜または窒化膜などの絶縁性マスク5で被覆する(図2)。ついで、図示しないマスクを用いて、絶縁性マスク5に、特に限定しないが、たとえばストライプ状の窓あけをおこなう(図3)。
Next, a manufacturing method according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. First, an n-
窓あけ部の幅、すなわちトレンチ開口幅w、および隣り合う窓あけ部と窓あけ部との間隔sは、それぞれ1〜20μm程度とする。ここで、wとsは同じでもよいし、同じでなくてもよいが、図1に示す超接合構造の最終的な仕上がり構造において、n型半導体基板2とp型半導体4とが柱状に交互に並ぶ領域において、電荷のチャージバランスがとれていることが重要である。
The width of the window opening, that is, the trench opening width w, and the distance s between adjacent window openings are about 1 to 20 μm. Here, w and s may or may not be the same. However, in the final finished structure of the super junction structure shown in FIG. 1, the n-
ついで、半導体基板2の、絶縁性マスク5に被覆されていない領域を、異方性エッチングにより基板表面21から深さ[d−h]までエッチングし、トレンチ上半部31を形成する(図4)。その際、エッチング方法として、たとえばプラズマエッチャーやRIE(反応性イオンエッチング)を利用する。また、エッチング条件は、トレンチ上半部31の側壁32のテーパー角が90°になる条件とする。
Next, a region of the
つづいて、基板表面21からの深さが[d−h]〜dとなる部分、すなわちトレンチ上半部31の下の深さhの部分については、トレンチ下半部36の側壁37が寝て、テーパー角が90°未満、好ましくは85°以下となる条件で異方性エッチングをおこない、トレンチ下半部36を形成する(図5)。このとき、トレンチ下半部36は、その縦断面形状がたとえばV字状となり、相対峙する側壁37の間に、基板表面に平行な平面がないのが望ましい。ここで、トレンチ下半部36のV字のなす角θは、10°の範囲の角度であるのが好ましい。
Subsequently, in a portion where the depth from the
なぜなら、V字形状の先端部が鋭い鋭角であると、材料ガスが細かい領域を通るため先端部まで十分供給されず、先端部に達するまでに側壁に吸着され、側壁の成長速度が上がってもボイドや転位を残しやすくなってしまう。したがって、トレンチ下半部36の側壁37のテーパー角は85°以下である必要がある。なお、側壁37の上部に側壁32が存在する場合であっても、側壁37の領域のみを取り出すと上記と同じような問題が生じる。すなわち、上記の問題は、側壁32の存在の有無に関わらずに発生する。したがって、側壁37が低指数面でファセットを形成しやすいとしても、側壁37のテーパー角が垂直に近い場合はあまり好ましくない。
This is because if the V-shaped tip has a sharp acute angle, the material gas passes through a small area and is not sufficiently supplied to the tip, and is adsorbed on the sidewall before reaching the tip, so that even if the growth rate of the sidewall increases, Voids and dislocations are likely to remain. Therefore, the taper angle of the
ついで、トレンチ3の内部にp型半導体4をエピタキシャル成長させる(図6)。このように絶縁性マスク5を除去しないままエピタキシャル成長をおこなう場合には、絶縁性マスク5の表面に多結晶が付着するのを防ぐため、チャンバー内に、エッチング効果を有するガスを同時に流す。たとえば、半導体材料としてシリコンを用いて、減圧CVD法によりエピタキシャル成長をおこなう場合には、成長ガスに塩素(Cl)等のハロゲンを混ぜる。具体的には、成長ガスとしてジクロロシラン(SiHCl)やトリクロロシラン(SiHCl)を用いればよい。あるいは、成長ガスとしてシラン(SiH)やジシラン(SiH)を用い、これと一緒にチャンバー内にHClやClなどのエッチングガスを供給する。
Next, a p-
ここで、エピタキシャル成長中のトレンチ底部のV字構造部分(図6において丸印で囲む部分)を拡大し、ミクロに原子層レベルで見ると、図9に示すように、V字の頂点に無数の原子層ステップ41が存在する。この原子層ステップ41は、結晶格子1ないし数個分の高さを持つナノスケールの構造である。側壁37が安定なファセットを形成していれば、側壁37には原子層ステップ41はほとんど存在せず、V字の頂点に原子層ステップ41が高密度で存在している。
Here, the V-shaped structure portion (the portion surrounded by a circle in FIG. 6) at the bottom of the trench during the epitaxial growth is enlarged, and when viewed microscopically at the atomic layer level, as shown in FIG. There is an
原子層ステップ41では、材料原子が結晶中に盛んに取り込まれるので、結晶成長が速い。図10に示すように、結晶成長が進行するにしたがって、新たに結晶に固着された領域42が広がっていき、原子層ステップ41が前進する。そして、一つの原子層ステップ41が前進しても、V字の頂点から新たに次の原子層ステップ41が供給される。そのため、トレンチ底部では、結晶中への材料原子の取り込みが盛んな状態に保たれるので、成長速度が落ちることはない(凹入角効果)。
In the
図11は、側壁が点線で示す安定なファセット面よりも広角だった場合の断面を、図12は、側壁37が同じくファセット面よりも狭角だった場合の断面を、それぞれミクロスケールで模式的に示したものである。この場合、各ステップで材料原子の取り込みが盛んにおこなわれるため、側壁37のあらゆる位置で同時にエピタキシャル成長が起こってしまう。また、材料ガスの濃度が高い場所ほど取り込みが盛んとなり、エピタキシャル成長速度が速くなるので、トレンチの埋め込みには不利となる。
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view when the side wall is wider than the stable facet surface indicated by a dotted line, and FIG. 12 is a schematic cross-sectional view when the
しかし、図11、図12に示すような形状においても、既存の原子層ステップが原子を取り込んで前進することによって、点線で示すファセットを形成できれば、図9と同じ形状を作ることができ、凹入角効果を利用できるようになる。図11、図12の状態からファセットを形成させるためには、エッチングガスによって異方性エッチングをおこなったり、エピタキシャル成長の初期段階において材料ガスの供給をしぼり、低速でエピタキシャル成長して安定化面を形成しやすくするなどの方法が考えられる。 However, in the shapes as shown in FIGS. 11 and 12, if the existing atomic layer steps can take in the atoms and move forward to form the facets indicated by the dotted lines, the same shape as in FIG. The angle-of-incidence effect can be used. In order to form a facet from the state shown in FIGS. 11 and 12, anisotropic etching is performed using an etching gas, or a material gas is supplied in an initial stage of epitaxial growth, and epitaxial growth is performed at a low speed to form a stabilized surface. For example, it is possible to make it easier.
一方、マクロスケールで平坦な結晶面、すなわちトレンチ上半部31の側壁32では、原子層ステップ41の存在密度が極めて低いため、結晶中への材料原子の取り込みがあまりおこなわれない。また、トレンチ上半部31の側壁32において、表面に傷がつくなどの原因により一つの原子層ステップが発生しても、この原子層ステップが前進した跡には新たな原子層ステップが供給されないので、結晶成長は継続しない。したがって、トレンチ上半部31の側壁32では、トレンチ底部のV字構造部分よりも成長速度が遅くなる。
On the other hand, in the crystal plane which is flat on the macro scale, that is, on the
その結果、図6に示すように、エピタキシャル成長したp型半導体4は、トレンチ3の底部で極端に厚くなり、トレンチ開口部では薄くなる。したがって、図7に示すように、トレンチ内部にボイドを残さずに、トレンチ3の内部はp型半導体4により埋められる。エピタキシャル成長が終了した後、絶縁性マスク5を除去し、図1に示す構成の超接合構造が完成する。しかる後、ソースやドレインの形成などをおこなって所望の半導体素子が完成する。
As a result, as shown in FIG. 6, the epitaxially grown p-
上述した実施の形態1によれば、エピタキシャル成長時に、トレンチ下半部36での原子層ステップ41の供給が盛んになり、トレンチ底部の成長速度が、トレンチ開口部の成長速度よりも相対的に速くなるため、トレンチ底部からトレンチ開口部へ向かって徐々にp型半導体4がエピタキシャル成長するので、ボイドや結晶格子ずれを発生させることなく、トレンチ3の内部をp型半導体4で埋め込むことができる。したがって、超接合半導体素子を簡易に量産性よく製造することができる。
According to the above-described first embodiment, the supply of the atomic layer steps 41 in the
なお、実施の形態1において、トレンチ3の内部にp型半導体4をエピタキシャル成長させる際に、あらかじめ絶縁性マスク5を除去しておいてもよい。その場合には、図8に示すように、n型半導体基板2の表面全体がp型半導体4により被覆されるので、エピタキシャル成長の終了後に、基板表面21上のp型半導体4を研磨して除去し、n型半導体基板2の表面21を露出させればよい。
In the first embodiment, when epitaxially growing the p-
また、実施の形態1において、図13に示すように、トレンチ下半部36が、相対峙する側壁37の間に、基板表面21に平行な平面38を有する形状に形成されていてもよい。この場合には、p型半導体4のエピタキシャル成長の初期段階において、図6に示すように、トレンチ底部にV字形状が現れるようにすればよい。
Further, in the first embodiment, as shown in FIG. 13,
また、実施の形態1において、トレンチ上半部31の側壁32が、ファセット(安定化した平坦面)を形成する面方位になっているとよい。具体的には、半導体材料としてシリコンを用いた場合、ファセットを形成しやすいのは(1,1,1)面や(1,0,0)面、(3,1,1)面、(4,1,1)面であるが、これら以外にも、エピタキシャル成長時の基板温度、真空度または材料原子の供給圧力などの条件に依存して、ファセットを形成しやすい面方位が存在する。このようにすれば、p型半導体4のエピタキシャル成長時に、トレンチ開口部がより一層閉じにくくなるという効果が得られる。
In the first embodiment, the
ウエハとトレンチの面方位にを含めた具体例を、図14および図15に示す。図14、図15において、それぞれ、エピタキシャル成長層4の形成前に露出している面方位を記載してある。図14では、最初の半導体基板1として(1,1,0)ウエハを用いており、トレンチの側壁32に(0,0,1)面が、側壁37に(1,1,1)面がそれぞれ対応する。いずれもファセットを形成する低指数面である。なお、(0,0,1)面は(1,0,0)面と等価であり、(1,−1,0)面は(1,1,0)面と等価である。
14 and 15 show specific examples including the plane orientations of the wafer and the trench. 14 and 15, the plane orientations exposed before the formation of the
図15では、最初の半導体基板1として(1,0,0)ウエハを用いており、トレンチの側壁32に(0,1,1)面が、側壁37に(1,1,1)面が対応する。(1,1,1)面はファセットを形成する低指数面である。この場合、側壁32に2〜3°程度のテーパー角をあらかじめつけて寝かせておくと、開口部での速いエピタキシャル成長を相殺し、開口部をふさがりにくくすることができる。
In FIG. 15, a (1,0,0) wafer is used as the first semiconductor substrate 1, and the (0,1,1) plane is formed on the
また、実施の形態1において、トレンチ上半部31の側壁32は、必ずしもテーパー角90°で垂直に立っている必要はなく、やや寝ていてもよいが、トレンチ3のアスペクト比d/wが10以上であることを考慮すれば、トレンチ上半部31の側壁32のテーパー角は85°以上であるのが望ましい。図16に、トレンチ上半部31の側壁32が寝ているトレンチを、エピタキシャル成長層で埋め込んでいく途中の断面写真の様子を示す。図16では、初期のトレンチ形状が点線で示されている。このように、トレンチ上半部31の側壁32が寝ているトレンチは埋め込みに有利であることがわかる。
In the first embodiment, the
また、実施の形態1において、トレンチ上半部31を形成するにあたっては、必ずしもRIEやプラズマエッチャーを用いる必要はない。たとえば、異方性を具えたウェットエッチングをおこなってもよい。具体的には、たとえばシリコンの(1,1,0)ウエハに対して、KOHとイソプロピルアルコールと水との混合液を用いて異方性エッチングをおこなうと、トレンチ側壁32に、ファセットを形成しやすい(1,1,1)面が露出しやすいという効果が得られる。
In the first embodiment, it is not always necessary to use RIE or plasma etcher when forming the
また、実施の形態1において、上述した形状のトレンチ下半部36を形成するにあたっては、必ずしもRIEやプラズマエッチャーを用いる必要はない。たとえば、トレンチ上半部31を形成した後、エッチング性のガスにより異方性エッチングをおこなうことによっても、縦断面形状がたとえばV字状のトレンチ下半部36を形成することができる。この場合、半導体基板2の材料がシリコンであれば、エッチングガスとしてHClやCl2を用いればよい。
Further, in the first embodiment, it is not always necessary to use RIE or a plasma etcher to form the trench
実施の形態2.
本発明の実施の形態2にかかる製造方法は、トレンチ内に半導体をエピタキシャル成長させる際に、トレンチ開口部とトレンチ底部との間に温度差を設けることによって、トレンチ底部の成長速度を、トレンチ開口部の成長速度よりも相対的に速くする方法である。実施の形態2では、上述した実施の形態1のようにトレンチ底部の縦断面形状がV字状もしくは略V字状になっていてもよいし、基板表面に平行な平面形状となっていてもよい。
In the manufacturing method according to the second embodiment of the present invention, when a semiconductor is epitaxially grown in a trench, the growth rate of the trench bottom is reduced by providing a temperature difference between the trench opening and the trench bottom. This is a method of making the growth rate relatively higher than the growth rate. In the second embodiment, the vertical sectional shape of the trench bottom may be V-shaped or substantially V-shaped as in the first embodiment described above, or may be a planar shape parallel to the substrate surface. Good.
たとえば、半導体材料がシリコンであり、成長ガスとしてジクロロシランを用いて、減圧CVD法によりエピタキシャル成長をおこなう場合、トレンチ底部の温度がトレンチ開口部の温度よりも1℃高くなるごとにトレンチ底部の反応速度が2%上がっていく。したがって、トレンチ底部の温度をトレンチ開口部の温度よりもたとえば1℃以上高くなるようにしてトレンチ底部の反応速度を上げることにより、トレンチ底部でのエピタキシャル成長を促進することができる。 For example, when the semiconductor material is silicon and epitaxial growth is performed by a low-pressure CVD method using dichlorosilane as a growth gas, the reaction rate at the bottom of the trench is increased every time the temperature of the bottom of the trench becomes 1 ° C. higher than the temperature of the opening of the trench. Increases by 2%. Therefore, the epitaxial growth at the bottom of the trench can be promoted by increasing the reaction rate at the bottom of the trench by making the temperature at the bottom of the trench higher than the temperature of the opening of the trench by, for example, 1 ° C. or more.
このように、半導体基板を、トレンチの開口部からトレンチ底部へ向かって基板内の温度が低くなるように保持した状態で、トレンチ内に液相成長または略1000℃以上の気相成長によって第2導電型の半導体をエピタキシャル成長させる。これによって、エピタキシャル成長時に、トレンチ下半部での原子層ステップの供給が盛んであるのに加えて、トレンチ底部が低温であることにより、トレンチ底部の成長速度がトレンチ開口部の成長速度よりもより一層相対的に速くなる。 In this manner, while the semiconductor substrate is held so that the temperature in the substrate decreases from the opening of the trench toward the bottom of the trench, the second phase is formed in the trench by liquid phase growth or vapor phase growth at about 1000 ° C. or higher. A conductive semiconductor is epitaxially grown. As a result, in addition to the active supply of atomic layer steps in the lower half of the trench during epitaxial growth, the growth rate of the trench bottom is higher than that of the trench opening due to the low temperature of the trench bottom. It is much faster.
また、半導体基板を、トレンチの開口部からトレンチ底部へ向かって基板内の温度が高くなるように保持した状態で、トレンチ内に略1000℃以下の気相成長によって第2導電型の半導体をエピタキシャル成長させるようにしてもよい。これによって、エピタキシャル成長時に、トレンチ下半部での原子層ステップの供給が盛んであるのに加えて、トレンチ底部が高温であることにより、トレンチ底部の成長速度がトレンチ開口部の成長速度よりもより一層相対的に速くなる。 In a state where the semiconductor substrate is held so that the temperature in the substrate increases from the opening of the trench toward the bottom of the trench, a semiconductor of the second conductivity type is epitaxially grown in the trench by vapor phase growth at about 1000 ° C. or less. You may make it do. As a result, in addition to the active supply of atomic layer steps in the lower half of the trench during epitaxial growth, the high temperature at the bottom of the trench makes the growth rate at the bottom of the trench higher than that at the opening of the trench. It is much faster.
ここで、液相成長は、ウエハ温度が低いほど成長速度が速く、温度が高いと成長速度が遅くなる。したがって液相成長を使ってトレンチを埋め込むことを想定すると、トレンチ底部は温度を低めにし、トレンチ開口部は温度を高めにするとよい。 Here, in liquid phase growth, the growth rate increases as the wafer temperature decreases, and the growth rate decreases as the temperature increases. Therefore, assuming that the trench is buried using liquid phase growth, it is preferable to lower the temperature at the bottom of the trench and increase the temperature at the opening of the trench.
また、気相成長は、略1000℃以下の低温では、ウエハ温度が高いほど成長速度が速く、温度が低いほど成長速度が遅くなる。そたがって、気相成長で比較的低温の条件を想定すると、トレンチ底部の温度を高めにし、トレンチ開口部の温度を低めにするとよい。一方、略1000℃以上の高温では、塩素によるエッチング効果が優勢になるため、ウエハ温度が高いほど成長速度が遅く、温度が低いほど成長速度が速くなる場合がある。したがって気相成長で比較的高温の条件を想定すると、トレンチ底部の温度を低めにし、トレンチ開口部の温度を高めにするとよい。 Further, in the vapor phase growth, at a low temperature of about 1000 ° C. or lower, the growth rate increases as the wafer temperature increases, and the growth rate decreases as the temperature decreases. Accordingly, assuming a relatively low temperature condition in the vapor phase growth, it is preferable to increase the temperature at the bottom of the trench and lower the temperature at the opening of the trench. On the other hand, at a high temperature of about 1000 ° C. or more, the etching effect by chlorine becomes dominant, so that the growth rate may be slower as the wafer temperature is higher, and may be higher as the temperature is lower. Therefore, assuming relatively high temperature conditions in the vapor phase growth, it is preferable to lower the temperature at the bottom of the trench and increase the temperature at the opening of the trench.
また、面方位依存性などを無視して、ポリシリコンなどの等方的材料を想定した付着確率(成長速度)ηは次の式で表される。 Further, the adhesion probability (growth rate) η assuming an isotropic material such as polysilicon, ignoring the plane orientation dependence, is expressed by the following equation.
η=Aexp(−E/RT) η = Aexp (-E / RT)
ここで、Eは活性化エネルギー(モル当たり)、Rはモル気体定数、Tはウエハ温度である。Eはガス種や実験系によって差が生じるが、たとえばシラン(SiH)では[E/R≒2.0e4 K]である。すなわち、η=Aexp(−2.0e4/T)である。 Here, E is activation energy (per mole), R is molar gas constant, and T is wafer temperature. E varies depending on the gas type and the experimental system. For example, in the case of silane (SiH), [E / R ≒ 2.0e4 K]. That is, η = Aexp (−2.0e4 / T).
エピタキシャル成長をおこなうT=1200K前後の温度領域では、温度が1℃上がると成長速度が約2%大きくなる。これにより、材料供給量によって生じるトレンチ開口部とトレンチ底部との成長速度差を、温度差で打ち消すことができる。 In a temperature region around T = 1200 K where epitaxial growth is performed, if the temperature increases by 1 ° C., the growth rate increases by about 2%. Thereby, the difference in growth rate between the trench opening and the trench bottom caused by the material supply amount can be canceled by the temperature difference.
具体的には、図17に示すように、CVD装置の内部構造を、半導体ウエハ6の表面側を加熱するヒーター71と、半導体ウエハ6の裏面側を加熱するヒーター72とを備えた構造とし、表側のヒーター71の出力と裏側のヒーター72の出力とに差を設ければよい。このようにすれば、ウエハ6の厚み方向に沿って温度勾配を設けることができる。ただし、温度勾配が大きすぎるとスリップ転位が発生するなどの問題が生じるので、温度勾配の大きさは2000℃/cm以下であるのが適当である。
Specifically, as shown in FIG. 17, the internal structure of the CVD apparatus has a structure including a
上述した実施の形態2によれば、エピタキシャル成長時に、トレンチ底部が高温であるため、トレンチ底部の成長速度が、トレンチ開口部の成長速度よりも相対的に速くなるため、トレンチ底部からトレンチ開口部へ向かって徐々に半導体がエピタキシャル成長するので、ボイドや結晶格子ずれを発生させることなく、トレンチの内部を半導体で埋め込むことができる。したがって、超接合半導体素子を簡易に量産性よく製造することができる。 According to the second embodiment described above, during the epitaxial growth, since the trench bottom is at a high temperature, the growth rate of the trench bottom is relatively higher than the growth rate of the trench opening. Since the semiconductor gradually grows epitaxially toward it, the inside of the trench can be filled with the semiconductor without generating a void or a crystal lattice shift. Therefore, a super-junction semiconductor element can be easily manufactured with good mass productivity.
実施の形態3.
本発明の実施の形態3にかかる製造方法は、トレンチ内に半導体をエピタキシャル成長させる際に、トレンチ開口部とトレンチ底部との間に成長ガスの濃度差を設けることによって、トレンチ底部の成長速度を、トレンチ開口部の成長速度よりも相対的に速くする方法である。実施の形態3では、上述した実施の形態1のようにトレンチ底部の縦断面形状がV字状もしくは略V字状になっていてもよいし、基板表面に平行な平面形状となっていてもよい。
In the manufacturing method according to the third embodiment of the present invention, when the semiconductor is epitaxially grown in the trench, the growth rate of the trench bottom is reduced by providing a concentration difference of the growth gas between the trench opening and the trench bottom. This is a method of making the growth rate relatively higher than the growth rate of the trench opening. In the third embodiment, the vertical sectional shape of the trench bottom may be V-shaped or substantially V-shaped as in the first embodiment described above, or may be a planar shape parallel to the substrate surface. Good.
従来のように、成長ガスの供給を、トレンチの開口部から底部への拡散過程によりおこなう場合には、トレンチ開口部においてガス濃度が高くなるので、トレンチ開口部付近でのエピタキシャル成長速度が速くなってしまう。これは、ボイドが生じないようにトレンチを埋め込むためには、好ましくない。そこで、トレンチ底部に直接成長ガスを供給することによって、成長ガス濃度がトレンチ底部において高くなり、トレンチ開口部において低くなるようにする。 In the case where the growth gas is supplied by a diffusion process from the opening to the bottom of the trench as in the related art, the gas concentration becomes high at the trench opening, so that the epitaxial growth rate near the trench opening increases. I will. This is not preferable for filling the trench so as not to cause voids. Therefore, by supplying the growth gas directly to the trench bottom, the growth gas concentration is increased at the trench bottom and reduced at the trench opening.
具体的には、図18に示すように、エピタキシャル成長時に、たとえばカーボンナノチューブなどからなるパイプ8をトレンチ3内に挿入し、このパイプ8を通して成長ガスをトレンチ3に供給する。このようにすれば、図18において符号9で示す矢印のように、成長ガスはトレンチ底部へ向かって流れ、トレンチ底部で折り返されてトレンチ開口部へ向かって流れるので、トレンチ底部において最も成長ガス濃度が高くなり、トレンチ開口部に向かって低くなる。
More specifically, as shown in FIG. 18, during epitaxial growth, a pipe 8 made of, for example, carbon nanotubes is inserted into the
上述した実施の形態3によれば、エピタキシャル成長時に、トレンチ底部での成長ガス濃度がトレンチ開口部での成長ガス濃度よりも高くなるため、トレンチ底部の成長速度が、トレンチ開口部の成長速度よりも相対的に速くなり、トレンチ底部からトレンチ開口部へ向かって徐々に半導体がエピタキシャル成長するので、ボイドや結晶格子ずれを発生させることなく、トレンチ3の内部を半導体で埋め込むことができる。したがって、超接合半導体素子を簡易に量産性よく製造することができる。
According to the third embodiment described above, during epitaxial growth, the growth gas concentration at the trench bottom becomes higher than the growth gas concentration at the trench opening, so that the growth rate at the trench bottom is higher than the growth rate at the trench opening. Since the semiconductor becomes relatively faster and the semiconductor gradually grows epitaxially from the bottom of the trench toward the opening of the trench, the inside of the
以上において本発明は、上述した各実施の形態に限らず、種々変更可能である。たとえば、トレンチのパターンは、ストライプ状に限らず、格子状や円柱状でもよい。また、実施の形態1〜実施の形態3を適宜組み合わせてもよい。 In the above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, but can be variously modified. For example, the pattern of the trench is not limited to the stripe shape, but may be a lattice shape or a column shape. Further, Embodiments 1 to 3 may be appropriately combined.
以上のように、本発明にかかる超接合半導体素子の製造方法は、第1導電型半導体基板に形成されたトレンチ内に、第2導電型半導体をエピタキシャル成長させた超接合構造を製造するために有用であり、特に、トレンチ底部における半導体のエピタキシャル成長を促進するとともに、トレンチ開口部での成長を抑制することによって、ボイドや結晶格子ずれを発生させることなく、トレンチ内を半導体で埋め込むことに適している。 As described above, the method for manufacturing a super junction semiconductor device according to the present invention is useful for manufacturing a super junction structure in which a second conductivity type semiconductor is epitaxially grown in a trench formed in a first conductivity type semiconductor substrate. In particular, by promoting the epitaxial growth of the semiconductor at the bottom of the trench and suppressing the growth at the opening of the trench, it is suitable for filling the trench with the semiconductor without generating a void or a crystal lattice shift. .
2 第1導電型の半導体基板
3 トレンチ
4 第2導電型の半導体
8 パイプ
21 基板表面
31 トレンチ上半部
32 トレンチ上半部の側壁
36 トレンチ下半部
37 トレンチ下半部の側壁
2 Semiconductor substrate of
Claims (13)
第1導電型の半導体基板に、側壁が基板表面に対して垂直か、または略垂直のトレンチ上半部を形成する工程と、
前記トレンチ上半部につづいてその下に、側壁が前記トレンチ上半部の側壁よりも緩く傾斜し、かつ前記トレンチ上半部との境界からの深さがhのトレンチ下半部を形成する工程と、
前記トレンチ上半部および前記トレンチ下半部よりなるトレンチ内に、第2導電型の半導体をエピタキシャル成長させる工程と、
を含むことを特徴とする超接合半導体素子の製造方法。 In manufacturing a superjunction semiconductor device having a structure in which a semiconductor of the second conductivity type is embedded in a trench having a depth of d and an opening width of w on the substrate surface provided in a semiconductor substrate of the first conductivity type. ,
Forming, on a semiconductor substrate of the first conductivity type, an upper half of a trench whose side walls are perpendicular or substantially perpendicular to the substrate surface;
Subsequent to the upper half of the trench, a lower side wall is formed, the side wall of which is more gradually inclined than the side wall of the upper half of the trench, and whose depth from the boundary with the upper half of the trench is h. Process and
Epitaxially growing a semiconductor of the second conductivity type in a trench formed by the upper half of the trench and the lower half of the trench;
A method for manufacturing a super-junction semiconductor device, comprising:
第1導電型の半導体基板にトレンチを形成する工程と、
前記半導体基板を、前記トレンチの開口部からトレンチ底部へ向かって基板内の温度が低くなるように保持した状態で、前記トレンチ内に液相成長または略1000℃以上の気相成長によって第2導電型の半導体をエピタキシャル成長させる工程と、
を含むことを特徴とする超接合半導体素子の製造方法。 In manufacturing a super junction semiconductor device having a structure in which a semiconductor of a second conductivity type is embedded in a trench provided in a semiconductor substrate of a first conductivity type,
Forming a trench in a semiconductor substrate of a first conductivity type;
In a state where the semiconductor substrate is held so that the temperature in the substrate decreases from the opening of the trench toward the bottom of the trench, the second conductive layer is formed in the trench by liquid phase growth or vapor phase growth of about 1000 ° C. or more. Epitaxially growing a semiconductor of a mold type;
A method for manufacturing a super-junction semiconductor device, comprising:
第1導電型の半導体基板にトレンチを形成する工程と、
前記半導体基板を、前記トレンチの開口部からトレンチ底部へ向かって基板内の温度が高くなるように保持した状態で、前記トレンチ内に略1000℃以下の気相成長によって第2導電型の半導体をエピタキシャル成長させる工程と、
を含むことを特徴とする超接合半導体素子の製造方法。 In manufacturing a super junction semiconductor device having a structure in which a semiconductor of a second conductivity type is embedded in a trench provided in a semiconductor substrate of a first conductivity type,
Forming a trench in a semiconductor substrate of a first conductivity type;
In a state where the semiconductor substrate is held so that the temperature in the substrate increases from the opening of the trench toward the bottom of the trench, a semiconductor of the second conductivity type is formed in the trench by vapor phase growth at about 1000 ° C. or less. A step of epitaxial growth;
A method for manufacturing a super-junction semiconductor device, comprising:
第1導電型の半導体基板にトレンチを形成する工程と、
前記トレンチ内に開口部からパイプを挿入し、エピタキシャル成長用の材料ガスを、前記パイプ内を通してトレンチ底部にのみ供給しながら、前記トレンチ内に第2導電型の半導体をエピタキシャル成長させる工程と、
を含むことを特徴とする超接合半導体素子の製造方法。 In manufacturing a super junction semiconductor device having a structure in which a semiconductor of a second conductivity type is embedded in a trench provided in a semiconductor substrate of a first conductivity type,
Forming a trench in the semiconductor substrate of the first conductivity type;
Inserting a pipe into the trench from an opening, and epitaxially growing a second conductivity type semiconductor in the trench while supplying a material gas for epitaxial growth only to the bottom of the trench through the pipe;
A method for manufacturing a super-junction semiconductor device, comprising:
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