JP2004311695A

JP2004311695A - Silicon carbide semiconductor device and its manufacturing method

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Publication number: JP2004311695A
Application number: JP2003102831A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Takeuchi; 有一竹内; Mitsuhiro Kataoka; 光浩片岡
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-04-07
Filing date: 2003-04-07
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2023-04-07
Also published as: JP4206803B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a silicon carbide semiconductor device equipped with a J-FET wherein the leakage is suppressed between a source region and a second gate layer, and to provide its manufacturing method. <P>SOLUTION: The silicon carbide semiconductor device comprises a semiconductor substrate 5 which consists of an n<SP>-</SP>-type drift layer 2, a p<SP>+</SP>-type first gate layer 3, and an n<SP>+</SP>-type source region 4 formed on an SiC off substrate 1 in this order; an n<SP>-</SP>-type channel layer 7 which is formed by epitaxial growth on the inner wall of a trench 6 formed in the semiconductor substrate 5; and the p<SP>+</SP>-type second gate layer 8 formed on the n<SP>-</SP>-type channel layer 7. When manufacturing this device, either of the following methods is conducted: (1) The n<SP>+</SP>-type source region 4 is formed by ion implantation in a region different from a facet plane growth region 10. (2) After forming the n<SP>-</SP>-type channel layer 7, the facet plane growth region 10 is removed by polishing or the like. (3) The n<SP>-</SP>-type channel layer 7 is formed only on the inner wall of the trench 6 by selective epitaxial growth. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化珪素半導体装置及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図８に本発明者が検討した構造の炭化珪素半導体装置を示す。図８（ａ）は平面図であり、図８（ｂ）、（ｃ）はそれぞれＡ−Ａ’線断面図、Ｂ−Ｂ’線断面図である。なお、図８（ａ）では、ソース領域４、トレンチ６の平面パターンを示しており、基板表面上のＮ⁻型チャネル層７、Ｐ^＋型第２ゲート層８を省略している。
【０００３】
図８に示す構造のＪ−ＦＥＴは、本出願人が先に出願したＪ−ＦＥＴと同様の構造である（特願２００１−２６０２１６参照）。これは、例えば次のようにして製造される。
【０００４】
図８（ｃ）に示すように、Ｎ^＋型基板１の上に、Ｎ⁻型ドリフト層２、Ｐ^＋型第１ゲート層３、Ｎ^＋型層４を順にエピタキシャル成長法により形成した半導体基板５を用意する。そして、Ｎ^＋型層４及びＰ^＋型第１ゲート層３を貫通して、Ｎ⁻型ドリフト層２に到達する深さのトレンチ６を形成する。トレンチ６の内壁上にＮ⁻型チャネル層７及びＰ^＋型第２ゲート層８をエピタキシャル成長法により順に形成することで図８に示すＪ−ＦＥＴが製造される。
【０００５】
このＪ−ＦＥＴでは、Ｎ^＋型層４によってソース領域が構成されている。第１、第２ゲート層３、８は、図示しないが、それぞれ第１ゲート電極および第２ゲート電極と電気的に接続されている。また、Ｎ^＋型層４、Ｎ^＋型基板１はそれぞれソース電極、ドレイン電極と電気的に接続されている。
【０００６】
このように構成されたＪ−ＦＥＴにおいては、Ｎ⁻型チャネル層７の不純物濃度を高く設定することで、このＪ−ＦＥＴをノーマリーオンで作動させることができ、また、低く設定することで、ノーマリーオフで作動させることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
Ｎ^＋型基板１として、例えば、ＳｉＣ（０００１）面オフ基板を用い、トレンチ６の平面パターンを、図８（ａ）に示すように、開口形状が長方形であるトレンチ６をオフ方向に平行なストライプ状に配置したパターンとした場合、図８（ｂ）に示すように、Ｎ⁻型チャネル層７及びＰ^＋型第２ゲート層８のうち、トレンチ６の上部コーナ部に（０００１）ファセット面成長領域１０が発生することが本発明者の調査によりわかった。
【０００８】
ファセット面成長領域１０は、トレンチ６の平面パターンにおいて、オフ方向に垂直な二辺６ａ、６ｂのうち、一方の辺（図８（ａ）中右側の辺）６ａ側に発生する。ファセット面とは結晶成長の際、オフ角に起因して選択的に現れる結晶面であり、この場合（０００１）ジャスト面がファセット面である。なお、図８（ｂ）中の面１０ａと平行な面がファセット面である。
【０００９】
このファセット面では結晶成長が遅いため、トレンチ６の内壁上から半導体基板５の表面にかけてＮ⁻型チャネル層７を形成したとき、Ｎ⁻型チャネル層７がトレンチ６の形状に沿って形成されず、ファセット面が生じてしまう。すなわち、トレンチ６の上部コーナ部近傍ではトレンチ６の内壁及び半導体基板５表面に垂直な方向に結晶成長せず、ファセット面に垂直な方向に結晶成長が起きる。このようにファセット面方向に結晶成長が起きている領域がファセット面成長領域１０である。
【００１０】
Ｎ⁻型チャネル層７を形成したとき、ファセット面成長領域１０では他の領域と比較して結晶欠陥が生じやすく、不純物濃度が高くなる。このため、Ｎ^＋型ソース領域４とＰ^＋型第２ゲート層８との間でリークが発生する。
【００１１】
本発明は上記点に鑑みて、Ｊ−ＦＥＴを備える炭化珪素半導体装置において、ソース領域と第２ゲート層との間でのリークを抑制することができる装置及びその製造方法を提供する。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、ソース領域（４）がチャネル層（７）に存在するファセット面成長領域（１０）と異なる領域に配置されていることを特徴としている。
【００１３】
このようにソース領域が配置された領域にファセット面成長領域が存在しないようにすることで、ソース領域とゲート層との間でのリークを抑制することができる。
【００１４】
なお、トレンチの平面パターンは開口形状が多角形であるトレンチが複数配置されたパターンや、請求項２に示すように、オフ方向に平行なストライプ状のパターンとすることもできる。ストライプ状の場合のトレンチの開口形状は長方形や六角形とすることができ、他の形状とすることもできる。
【００１５】
また、請求項３に示すように、１つのトレンチ（６）の開口形状をオフ方向に平行な二辺を持ち、全ての内角が１２０°の六角形とすることもできる。
【００１６】
トレンチの開口形状をこのような六角形形状とした場合、ファセット面はオフ方向にて対向して配置された角にのみ発生する。トレンチの開口形状が四角形のときでは、ファセット面はオフ方向に垂直な辺に発生することから、本発明によれば、トレンチの開口形状が四角形のときと比較して、ファセット面成長領域を少なくすることができる。このため、ソース領域を大きくでき、チャネルの有効面積を大きくすることができるので、オン抵抗の低減が可能となる。
【００１７】
さらに、全ての内角をそれぞれ１２０°とすることで、トレンチ内壁を全て結晶学的に等価な結晶面とすることができる。これにより、トレンチの内壁上にエピタキシャル成長法により形成したチャネル層の面方位を一致できるため、チャネル層の膜厚及び不純物濃度を均一にすることができる。この結果、トレンチの内壁が異なる結晶面にて構成されている場合と比較して、デバイス特性を向上させることができる。
【００１８】
請求項４に記載の発明では、チャネル層（７）にはファセット面成長領域（１０）が存在しないことを特徴としている。
【００１９】
トレンチの内壁上にエピタキシャル成長法により形成したチャネル層に、ファセット面成長領域が存在しないことから、チャネル層中に結晶欠陥が存在し、また、不純物濃度が大きな領域が存在しない。これにより、ソース領域とゲート層との間のリークを抑制することができる。
【００２０】
請求項５に記載の発明では、チャネル層（７）のうち、トレンチ（６）の上部コーナ部に存在するファセット面成長領域（１０）を完全に除去する工程有することを特徴としている。
【００２１】
このようにファセット面成長領域を完全に除去することから、チャネル層中には結晶欠陥が存在し、また、不純物濃度が大きな領域が存在しない。これにより、ゲート領域とソース層との間のリークを抑制することができる。
【００２２】
なお、ファセット面成長領域を完全に除去する方法としては、請求項６に示すように研磨を行う方法や、請求項７に示すように反応性イオンエッチングを行う方法を用いることができる。
【００２３】
請求項６に示す発明によれば、他の方法と比較して、デバイス完成時の表面凹凸を小さくすることができる。
【００２４】
請求項７に示す発明によれば、基板面内での除去量を一定に保つことができるため、他の方法と比較して、特性ばらつきを抑制できる。また、反応性イオンエッチングでは、基板表面が汚染する恐れがなく、研磨の際に基板表面が受ける研磨ダメージも無いため、他の方法と比較して、電気特性の安定したデバイスを製造することができる。
【００２５】
ファセット面成長領域を完全に除去する方法は、請求項８に示すように、ソース領域（４）をエピタキシャル成長法により形成する場合に特に有用である。これは、この場合、請求項１ないし３の発明のように、ソース領域をファセット面成長領域と重ならないように配置することができないからである。
【００２６】
請求項９に記載の発明では、半導体基板（５）を形成する工程と、トレンチ（６）を形成する工程と、半導体基板（５）の表面上にマスク（３１）を形成する工程と、半導体基板（５）の表面上にマスク（３１）を残したままの状態にて、エピタキシャル成長法により、トレンチ（６）の内壁上にのみ第１導電型のチャネル層（７）を形成する工程と、チャネル層（７）の上に第２導電型の第２ゲート層（８）を形成する工程とを有することを特徴としている。
【００２７】
トレンチの内壁上から基板表面上にかけてエピタキシャル成長法により、チャネル層を形成するとき、トレンチ上部部コーナ部にファセット面成長領域が発生する。したがって、このように基板表面上を除くトレンチの内壁上にのみエピタキシャル成長によりチャネル層を形成することで、ファセット面成長領域の発生を抑制することができる。これにより、チャネル層中には結晶欠陥が存在し、また、不純物濃度が大きな領域が存在しないため、ソース領域とゲート層との間のリークを抑制することができる。
【００２８】
なお、マスクを形成する工程では、トレンチを形成した後に、半導体基板表面のうち、トレンチを除く領域にマスクを形成することができる。また、請求項１０に示すように、トレンチ形成用のマスクをそのまま用いて、チャネル層を形成することもできる。
【００２９】
請求項１０に示す発明によれば、トレンチ形成のためのマスクと、トレンチの内壁上にのみチャネル層を形成する際に用いるマスクとを別々に形成した際に発生するマスクずれによる、トレンチと、チャネル層の形成予定領域との位置ずれの発生を防ぐことができる。これにより、チャネル層を基板表面上に形成することなく、良好にトレンチの内壁上にのみ形成することができる。
【００３０】
また、請求項１１に示すように、マスクを形成する工程では、カーボンにより構成されたマスク（３１）を形成することができる。
【００３１】
なお、カーボンは例えば、基板表面上に形成したフォトレジストを不活性ガス雰囲気下で熱処理することで形成することができる。カーボンはＳｉＣ原材料の１つであるため、エピタキシャル成長法により形成する半導体層にて意図しない不純物準位の形成を防止することができる。
【００３２】
また、第２ゲート層（８）を形成する工程の後にカーボンにより構成されたマスクの除去を行うが、このマスク除去方法としては、例えば、熱酸化法を用いることができる。
【００３３】
他のマスク除去方法としては、請求項１２に示すように、酸素プラズマ雰囲気でのプラズマエッチングによりマスク（３１）を除去する方法を用いることができる。この場合、酸素プラズマ雰囲気で処理するため、基板加熱が必要なく、熱酸化に比べ短時間でマスクを除去することができる。
【００３４】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００３５】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に本発明の第１実施形態におけるＪ−ＦＥＴを備える炭化珪素半導体装置を示す。図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）はＡ−Ａ’線断面図である。なお、図８と同様の構成部には同一の符号を付している。
【００３６】
本実施形態のＪ−ＦＥＴは、図８に示すＪ−ＦＥＴにおけるＮ^＋型ソース領域４の平面パターンを変更したものであり、その他の構造は図８に示すＪ−ＦＥＴと同様である。
【００３７】
具体的には、図８に示すＪ−ＦＥＴと同様に、Ｎ^＋型基板１の上にＮ⁻型ドリフト層２、Ｐ^＋型層３、Ｎ^＋型ソース領域４が順に形成された半導体基板５にトレンチ６が形成されている。トレンチ６の内壁上から半導体基板５の表面上にかけて、Ｎ⁻型チャネル層７が形成されている。さらに、Ｎ⁻型チャネル層７の上であって、トレンチ６の内部を完全に埋め込むように、かつ、基板表面上にかけてＰ^＋型第２ゲート層８が形成されている。
【００３８】
トレンチ６は、図８（ａ）と同様に、開口形状が長方形であり、長方形のうち、一組の対向する二辺６ｃ、６ｄはオフ方向に平行であり、他の一組の対向する二辺６ａ、６ｂはオフ方向に垂直である。また、オフ方向に平行な一組の二辺６ｃ、６ｄは他の一組の二辺６ａ、６ｂよりも長い。このような開口形状である複数のトレンチ６がストライプ状に配置されている。
【００３９】
本実施形態では、Ｎ^＋型基板１として、例えばオフ角が８°であり、オフ方向が〈１１−２０〉結晶軸方向と平行である（０００１）面オフ基板を用いている。このオフ基板はＳｉ面ＳｉＣ基板である。
【００４０】
したがって、図１（ａ）において、長方形の辺のうち、オフ方向に垂直な二辺６ａ、６ｂにおけるトレンチ６の側壁は（１１−２０）面となっている。オフ方向は例えば〈１−１００〉結晶軸方向に平行とすることもでき、この場合では、オフ方向に垂直な二辺６ａ、６ｂにおけるトレンチ６の側壁は（１−１００）面となる。なお、本明細書では、結晶学的面方位を示す場合、本来ならば所望の数字の上にバー（−）を付すべきであるが、表現の制約上、所望の数字の前にバーを付している。
【００４１】
また、本実施形態では、図１（ａ）に示すように、トレンチ６の平面パターンにおけるオフ方向に垂直な二辺６ａ、６ｂと重ならないように、オフ方向に垂直な二辺６ａ、６ｂよりも中心側にＮ^＋型ソース領域４を配置している。
【００４２】
言い換えると、図８に示すＪ−ＦＥＴでは、Ｎ^＋型ソース領域４の領域内にトレンチ６が形成された平面レイアウトとなっていた。これに対して、本実施形態のＪ−ＦＥＴでは、図１（ａ）に示すように、Ｎ^＋型ソース領域４の領域からトレンチ６の両端６ａ、６ｂがオフ方向と平行な方向に突出した平面レイアウトとなっている。
【００４３】
このようにＮ^＋型ソース領域４は、Ｎ⁻型チャネル層７に存在する（０００１）ファセット面成長領域１０と異なる領域に配置されている。
【００４４】
次にこのような構造のＪ−ＦＥＴの製造方法を説明する。
【００４５】
上記従来技術の欄にて説明した方法と異なる点は、Ｎ^＋型ソース領域４をイオン注入により形成する点と、開口形状が長方形であるトレンチ６を形成したときのオフ方向に垂直な二辺６ａ、６ｂの予定位置よりも中心側にＮ^＋型ソース領域４を配置する点である。
【００４６】
本実施形態では、このようにＮ⁻型チャネル層７を形成したときに発生する（０００１）ファセット面成長領域１０の発生予定領域と異なる領域に、Ｎ^＋型ソース領域４を配置する。すなわち、ファセット面成長領域１０とＮ^＋型ソース領域４とが重ならないように配置している。これにより、Ｎ^＋型ソース領域４が配置された領域では、Ｎ⁻型チャネル層７中にファセット面成長領域１０が存在しないので、Ｎ^＋型ソース領域４とＰ^＋型第２ゲート層８との間でのリークを抑制することができる。
【００４７】
なお、Ｐ^＋型第２ゲート層８はエピタキシャル成長法でなく、イオン注入法により形成することもできる。この場合、Ｎ⁻型チャネル層７を形成するとき、トレンチ６の内部を完全に埋め込むようにＮ⁻型チャネル層７を形成する。すなわち、Ｐ^＋型第２ゲート層８の形成予定領域までＮ⁻型チャネル層７を形成する。その後、Ｎ⁻型チャネル層７の表層に対してイオン注入を行うことで、Ｐ^＋型ゲート層８を形成する。
【００４８】
（第２実施形態）
図２、図３に本実施形態の第１の例、第２の例におけるＪ−ＦＥＴを備える炭化珪素半導体装置の平面図を示す。なお、図１と同様の構成部には同一の符号を付している。
【００４９】
第１の例は第１実施形態のＮ^＋型ソース領域４の平面パターンを変更したものである。第１実施形態では、図１に示すように、トレンチ６のうち、オフ方向に垂直な二辺６ａ、６ｂよりも中心側にＮ^＋型ソース領域４を配置していた。すなわち、Ｎ^＋型ソース領域４の領域からトレンチ６の両端６ａ、６ｂがオフ方向と平行な方向に突出した平面レイアウトとなっていた。
【００５０】
これに対して、第１の例のＪ−ＦＥＴは、図２に示すように、Ｎ^＋型ソース領域４を図中左方向に拡張し、オフ方向に垂直な辺６ｂと重なるようにＮ^＋型ソース領域４を配置している。すなわち、トレンチ６の両端６ａ、６ｂのうち、ファセット面成長領域１０が発生する側の一端６ａがＮ^＋型ソース領域４の領域からオフ方向と平行な方向にて突出し、他端６ｂがＮ^＋型ソース領域４の領域内に位置する平面レイアウトとなっている。
【００５１】
これにより、第１実施形態と同様の効果を有し、さらに、第１実施形態と比較して、Ｎ^＋型ソース領域４を拡張しているため、有効チャネル幅を増加させることができる。これにより、第１実施形態と比較して、オン抵抗を低減することができる。
【００５２】
第２の例におけるＪ−ＦＥＴは、第１の例における１つのトレンチ６の開口形状を、オフ方向に平行な一組の二辺６ｃ、６ｄをそのままにして、長方形から六角形に変更したものである。
【００５３】
具体的には、図３に示すように、トレンチ６の一組の対向する二辺６ｃ、６ｄは図２と同様にオフ方向に平行であり、図２におけるオフ方向に垂直な二辺６ａ、６ｂのうち、図中右側の辺６ａが六角形の辺６ｅ、６ｆに代わり、図中左側の辺６ｂが辺６ｇ、６ｈに代わっている。そして、辺６ｅと辺６ｆの間と、辺６ｇと６ｈの間には、それぞれ、角６ｉ、６ｊとが位置している。この角６ｉと角６ｊとはオフ方向にて対向している。
【００５４】
また、六角形の全ての内角はそれぞれ１２０°となっている。このため、オフ方向が〈１１−２０〉結晶軸方向に平行であるときでは、トレンチ６の側壁は全て（１−１００）面と結晶学的に等価な面となっている。なお、オフ方向を例えば〈１−１００〉結晶軸方向に平行とすることもでき、この場合では、トレンチ６の側壁は全て（１１−２０）面と結晶学的に等価な面となる。
【００５５】
このように、第２の例におけるＪ−ＦＥＴでは、トレンチ６の開口形状を六角形とすることで、図３に示すように、ファセット面成長領域１０が発生している領域を角６ｉの近傍のみとすることができる。この場合、ファセット面成長領域１０が角６ｉにてオフ方向に平行な線状に発生している。
【００５６】
これにより、第１の例のように、トレンチ６の開口形状が長方形である場合と比較して、ファセット面成長領域１０を少なくすることができる。この結果、Ｎ^＋型ソース領域４を第１の例よりも拡張することができ、すなわち、チャネルの有効面積を大きくすることができるので、第１の例と比較して、オン抵抗の低減が可能となる。
【００５７】
また、トレンチ６の側壁の面方位がそれぞれ異なる場合、Ｎ⁻型チャネル層７をエピタキシャル成長法により形成したとき、トレンチ６の側壁の面方位により結晶の成長レートが異なる。したがって、トレンチ６の側壁の面方位がそれぞれ異なる場合、Ｎ⁻型チャネル層７の膜厚や不純物濃度が面方位によって異なってしまう。
【００５８】
これに対して、第２の例におけるＪ−ＦＥＴでは、トレンチ６の開口形状が全ての内角が１２０°である六角形であることから、トレンチ６の側壁は全て結晶学的に等価な面となっている。このため、トレンチ６の内壁上にエピタキシャル成長法により形成したＮ⁻型チャネル層７の面方位を一致できるため、Ｎ⁻型チャネル層７の膜厚及び不純物濃度を均一にすることができる。この結果、トレンチ６の側壁が異なる結晶面にて構成されている場合と比較して、デバイス特性を向上させることができる。
【００５９】
なお、第２の例では、上記したように、トレンチ６の開口形状が六角形の場合を説明したが、ファセット面成長領域１０を少なくするという観点では、六角形に限らず、他の角数である多角形とすることもできる。これは、トレンチ６の平面構造において、オフ方向に垂直な辺が存在しなければ、ファセット面成長領域１０は多角形の１つの角の近辺にのみ発生するからである。
【００６０】
（第３実施形態）
図４に第３実施形態におけるＪ−ＦＥＴを備える炭化珪素半導体装置を示す。図４（ａ）は平面図であり、図４（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ図４（ａ）中のＡ−Ａ’線断面図、Ｂ−Ｂ’線断面図である。なお、図１と同様の構成部には同一の符号を付している。
【００６１】
本実施形態のＪ−ＦＥＴは、Ｊ−ＦＥＴの完成時に、Ｎ⁻型チャネル層７のファセット面成長領域１０を残さないようにすることで、Ｎ^＋型ソース領域４とＰ^＋型第２ゲート層８とのリークを抑制した構造となっている。
【００６２】
具体的には、図４に示すように、半導体基板５の表面上にはＮ⁻型チャネル層７及びＰ^＋型第２ゲート層８が形成されておらず、トレンチ６の内壁上にのみＮ⁻型チャネル層７及びＰ^＋型第２ゲート層８が形成されている。そして、Ｎ⁻型チャネル層７にファセット面成長領域１０が存在していない構造となっている。
【００６３】
本実施形態におけるＪ−ＦＥＴの製造方法を説明する。図５に本実施形態におけるＪ−ＦＥＴの製造工程の一部を示す。図５（ａ）は図８（ａ）中のＡ−Ａ’線断面図、Ｂ−Ｂ’線断面図に相当する。
【００６４】
本実施形態では、上記従来技術の欄にて説明したＪ−ＦＥＴの製造工程と同様に、Ｎ⁻型チャネル層７及びＰ^＋型第２ゲート層８を形成した後に、ファセット面成長領域１０を除去する工程を行う。
【００６５】
具体的には、図８に示すように、トレンチ６の内壁上から半導体基板５の表面上にかけてエピタキシャル成長法によりＮ⁻型チャネル層７を形成し、さらにＮ⁻型チャネル層７の上にＰ^＋型第２ゲート層８を形成する。その後、ＣＭＰ法等により基板表面からＰ^＋型第２ゲート層８及びＮ⁻型チャネル層７を研磨する。このとき、研磨は少なくとも図５（ａ）、（ｂ）中に示している研磨ライン２１まで行う。なお、この研磨ライン２１はファセット面成長領域１０のうち、最も低い（図の下側）位置を示しており、研磨ライン２１の基板表面からの深さは、オフ角とＮ⁻型チャネル層７の膜厚とにより算出することができる。
【００６６】
なお、半導体装置を製造する工程では、半導体基板５の表面を研磨することで平坦化することが一般的に行われる。したがって、図８に示す構造のＪ−ＦＥＴの製造工程において、図８（ｂ）、（ｃ）に示す状態の半導体基板５に対して研磨することが考えられる。しかしながら、単に半導体基板５の表面を平坦化する目的の場合、基板表面の位置を基準に研磨するため、ファセット面成長領域１０が残ってしまう恐れがある。
【００６７】
そこで、少なくとも図５（ａ）、（ｂ）に示す研磨ライン２１まで研磨することで、ファセット面成長領域１０を完全に除去することができる。これにより、Ｎ⁻型チャネル層７中には結晶欠陥が存在せず、かつ、不純物濃度が大きな領域も存在しないので、Ｐ^＋型第２ゲート層８とＮ^＋型ソース領域４との間のリークを抑制することができる。
【００６８】
本実施形態の製造方法は、Ｎ^＋型ソース層４をエピタキシャル成長法により形成するときに特に有用である。これは、Ｎ^＋型ソース領域４をエピタキシャル成長法により形成した場合、第１、第２実施形態のように、Ｎ^＋型ソース領域４をファセット面成長領域１０と重ならないように配置することができないからである。なお、第１、第２実施形態のように、Ｎ^＋型ソース領域４をイオン注入により形成した場合においても、本実施形態を適用することができる。
【００６９】
また、本実施形態では、研磨によりファセット面成長領域１０を除去する場合を説明したが、研磨の代わりに反応性イオンエッチングを行うことができる。
【００７０】
なお、どちらの場合においてもそれぞれ利点があり、研磨を行う場合では、デバイス完成時の表面凹凸を小さくすることができるという利点がある。また、反応性イオンエッチングの場合では、基板面内での除去量を一定に保つことができるため、研磨等他の方法と比較して、特性ばらつきを抑制できるという利点がある。さらに、反応性イオンエッチングの場合では、基板表面が汚染する恐れがなく、研磨の際に基板表面が受ける研磨ダメージも無いため、研磨等他の方法と比較して、電気特性の安定したデバイスを製造することができるという利点がある。
【００７１】
（第４実施形態）
図６に本実施形態におけるＪ−ＦＥＴを備える炭化珪素半導体装置を示す。図６（ａ）は平面図であり、図６（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ図６（ａ）中のＡ−Ａ’線断面図、Ｂ−Ｂ’線断面図である。なお、図６では、本実施形態の説明のために便宜上、Ｎ⁻型チャネル層７を形成する際に使用する選択マスク３１も示している。また、図１と同様の構成部には同一の符号を付している。
【００７２】
本実施形態のＪ−ＦＥＴも、第３実施形態と同様に、Ｊ−ＦＥＴの完成時に、Ｎ⁻型チャネル層７のファセット面成長領域１０を残さないようにすることで、Ｎ^＋型ソース領域４とＰ^＋型第２ゲート層８とのリークを抑制した構造となっている。
【００７３】
具体的には、図６に示すように、半導体基板５の表面上にはＮ⁻型チャネル層７及びＰ^＋型第２ゲート層８が形成されておらず、トレンチ６の内壁上にのみＮ⁻型チャネル層７及びＰ^＋型第２ゲート層８が形成されている。そして、Ｎ⁻型チャネル層７にファセット面成長領域１０が存在していない構造となっている。ただし、以下に説明するように、本実施形態のＪ−ＦＥＴは選択マスク３１を用いて形成された点が第３実施形態と異なる。
【００７４】
次に本実施形態におけるＪ−ＦＥＴの製造方法を説明する。図７（ａ）〜（ｆ）に本実施形態におけるＪ−ＦＥＴの製造工程を示す。図７（ａ）〜（ｆ）は図６（ｂ）に示すＡ−Ａ’線断面図に相当する。
【００７５】
まず、図７（ａ）に示す工程にて、半導体基板５を形成する。この工程では、第１実施形態と同様に、Ｎ^＋型基板１の上にＮ⁻型ドリフト層２及びＰ^＋型層３を順にエピタキシャル成長法により形成するが、本実施形態では、Ｎ^＋型ソース領域４もエピタキシャル成長法によりＰ^＋型層３上に形成する。なお、Ｎ^＋型ソース領域４をイオン注入法により形成することもできる。
【００７６】
続いて、図７（ｂ）に示す工程にて、半導体基板５の表面上に選択マスク３１を形成する。この選択マスク３１は、後に説明するが、トレンチ６をエッチングにより形成する際に用い、かつ、選択エピタキシャル成長を行う際に用いるためのマスクである。選択マスク３１としては、例えば、カーボンにより構成されたマスクを用いることができる。
【００７７】
具体的には、半導体基板５の表面上にフォトレジストを形成し、フォトリソグラフィにより、トレンチ６の形成予定領域に対向する部分を除去する。その後、不活性ガス雰囲気下で熱処理する。これにより、カーボンにより構成された選択マスク３１を形成する。なお、他の方法により、選択マスク３１を形成しても良い。
【００７８】
次に、図７（ｃ）に示す工程にて、選択マスク３１を用いたエッチングを行う。これにより、半導体基板５の表層にＮ^＋型ソース領域４及びＰ^＋型層３を貫通してＮ⁻型ドリフト層２に到達する深さのトレンチ６を形成する。このとき、トレンチ６が形成される領域は、図８に示すＪ−ＦＥＴと同様に、Ｎ^＋型ソース領域４が形成されている領域内である。
【００７９】
そして、図７（ｄ）に示す工程にて、エピタキシャル成長法により、トレンチ６の内壁上に、トレンチ６の凹みを残すようにＮ⁻型チャネル層７を形成する。このとき、基板表面上には、選択マスク３１が形成されているため、Ｎ⁻型チャネル層７は形成されない。
【００８０】
続いて、図７（ｅ）に示す工程にて、エピタキシャル成長法によりＮ⁻型チャネル層７の上にＰ^＋型第２ゲート層８を形成する。これにより、トレンチ６の内部を完全に埋め込む。
【００８１】
その後、図７（ｆ）に示す工程にて、選択マスク３１を除去する。例えば、熱酸化を行うことで、選択マスク３１を除去する。このようにして、図６に示すＪ−ＦＥＴを製造することができる。
【００８２】
本実施形態では、図７（ｄ）に示す工程にて、選択マスク３１を用いたエピタキシャル成長法により、Ｎ⁻型チャネル層７を形成している。
【００８３】
本発明者らの実験結果より、Ｎ⁻型チャネル層７をエピタキシャル成長法により形成したとき、トレンチ６の上部コーナ部にてファセット面成長領域１０が発生するのは、特にトレンチ６の内壁上から半導体基板５の表面上にかけてＮ⁻型チャネル層７をエピタキシャル成長にて形成するときであることがわかっている。
【００８４】
したがって、本実施形態のように、選択エピタキシャル成長法により、半導体基板５の表面上での結晶成長を防止し、トレンチ６の内壁上にのみＮ⁻型チャネル層７を形成することで、ファセット面成長領域１０の発生を抑制することができる。これにより、Ｎ⁻型チャネル層７中に結晶欠陥が存在せず、かつ、不純物濃度が大きな領域も存在しないため、Ｎ^＋型ソース領域４とＰ^＋型第２ゲート層８との間のリークを抑制することができる。
【００８５】
また、本実施形態では、図７（ｄ）に示す工程にて、トレンチ６を形成する際に用いたマスクをそのまま用いて、Ｎ⁻型チャネル層７を形成している。これは、以下の理由による。
【００８６】
トレンチ６の形成用のマスクと、選択エピタキシャル成長用のマスクとを別々に形成することもできる。この場合、図７（ｃ）に示す工程にて、トレンチ６を形成した後、トレンチ形成用マスクを除去する。その後、トレンチを除くトレンチ６の表面上に選択マスク３１を形成する。
【００８７】
しかし、この場合では、選択マスク３１を形成するとき、トレンチ６の位置に対してマスクずれが発生する恐れがある。マスクずれが発生した場合、Ｎ⁻型チャネル層７をエピタキシャル成長により形成したとき、半導体基板５の表面上に結晶成長が起きるのを良好に防止することができない。
【００８８】
これに対して、本実施形態のように、トレンチ形成用のマスクと選択エピタキシャル成長用のマスクとを兼用させることで、トレンチ６と、Ｎ⁻型チャネル層７の形成予定領域との位置ずれの発生を防ぐことができる。これにより、Ｎ⁻型チャネル層７を基板表面上に形成することなく、良好にトレンチ６の内壁上にのみ形成することができる。
【００８９】
また、本実施形態では、選択マスク３１としてカーボンにより構成されたマスクを用いている。カーボンはＳｉＣ原材料の１つであるため、本実施形態によれば、エピタキシャル成長法により形成する半導体層にて意図しない不純物準位の形成を防止することができる。
【００９０】
また、本実施形態では、図７（ｆ）に示す工程にて、熱酸化法により、選択マスク３１を除去している。カーボンは雰囲気中の酸素と反応し、ＣＯ_２としてガス排出される。このため、本実施形態によれば、マスク材の残留物の発生を防ぎつつ、また、基板表面の凹凸の増加もなく、選択マスク３１を除去することができる。
【００９１】
なお、選択マスク３１の除去はプラズマエッチングでも可能である。この場合、酸素プラズマ雰囲気下でエッチングを行う。この場合では、基板加熱が必要なく、熱酸化法に比べ短時間でマスクを除去することができる。
【００９２】
（他の実施形態）
なお、上記した各実施形態では、トレンチ６の平面パターンをストライプとした場合を例として説明したが、トレンチ６の平面パターンをストライプに限らず、開口形状が多角形であるトレンチが複数配置されたパターンその他の平面パターンとすることもできる。
【００９３】
また、上記各実施形態では、Ｎ⁻型チャネル層７というＮ型不純物層がチャネルとなるＪ−ＦＥＴを備えた炭化珪素半導体装置について説明したが、炭化珪素半導体装置の各構成要素の導電型が反転させたＰ型不純物層がチャネルとなるＪ−ＦＥＴを備えた炭化珪素半導体装置についても本発明を適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における炭化珪素半導体装置を示す図である。（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ’線断面図である。
【図２】第２実施形態の第１の例における炭化珪素半導体装置を示す平面図である。
【図３】第２実施形態の第２の例における炭化珪素半導体装置を示す平面図である。
【図４】第３実施形態における炭化珪素半導体装置を示す図である。（ａ）は平面図であり、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ（ａ）中のＡ−Ａ’線断面図、Ｂ−Ｂ’線断面図である。
【図５】図４に示す炭化珪素半導体装置の製造工程の一部を示す断面図である。
【図６】第４実施形態における炭化珪素半導体装置を示す図である。（ａ）は平面図であり、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ（ａ）中のＡ−Ａ’線断面図、Ｂ−Ｂ’線断面図である。
【図７】図６に示す炭化珪素半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図８】本発明者が検討した構造の炭化珪素半導体装置を示す図である。（ａ）は平面図であり、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ（ａ）中のＡ−Ａ’線断面図、Ｂ−Ｂ’線断面図である。
【符号の説明】
１…Ｎ^＋型基板、２…Ｎ⁻型ドリフト層、３…Ｐ^＋型層、
４…Ｎ^＋型ソース領域、５…半導体基板、６…トレンチ、
７…Ｎ⁻型チャネル層、８…Ｐ^＋型第２ゲート層、
１０…ファセット面成長領域、２１…研磨ライン、３１…選択マスク。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a silicon carbide semiconductor device and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
FIG. 8 shows a silicon carbide semiconductor device having a structure studied by the present inventors. FIG. 8A is a plan view, and FIGS. 8B and 8C are a cross-sectional view taken along the line AA ′ and a line BB ′, respectively. FIG. 8A shows a plane pattern of the source region 4 and the trench 6, and shows the N region on the substrate surface. ⁻ Type channel layer 7, P ⁺ The mold second gate layer 8 is omitted.
[0003]
The J-FET having the structure shown in FIG. 8 has the same structure as the J-FET previously filed by the present applicant (see Japanese Patent Application No. 2001-260216). This is manufactured, for example, as follows.
[0004]
As shown in FIG. ⁺ On the mold substrate 1, N ⁻ Type drift layer 2, P ⁺ Type first gate layer 3, N ⁺ A semiconductor substrate 5 on which a mold layer 4 is formed in order by an epitaxial growth method is prepared. And N ⁺ Mold layer 4 and P ⁺ N through the first gate layer 3 ⁻ A trench 6 having a depth reaching the mold drift layer 2 is formed. N on the inner wall of trench 6 ⁻ Type channel layer 7 and P ⁺ The J-FET shown in FIG. 8 is manufactured by sequentially forming the mold type second gate layer 8 by the epitaxial growth method.
[0005]
In this J-FET, N ⁺ The source region is constituted by the mold layer 4. Although not shown, the first and second gate layers 3 and 8 are electrically connected to the first gate electrode and the second gate electrode, respectively. Also, N ⁺ Mold layer 4, N ⁺ The mold substrate 1 is electrically connected to a source electrode and a drain electrode, respectively.
[0006]
In the J-FET thus configured, N ⁻ The J-FET can be operated normally on by setting the impurity concentration of the mold channel layer 7 high, and can be operated normally off by setting the impurity concentration low.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
N ⁺ As the mold substrate 1, for example, an SiC (0001) plane off substrate is used, and the planar pattern of the trench 6 is formed by forming the trench 6 having a rectangular opening shape into a stripe shape parallel to the off direction as shown in FIG. In the case where the pattern is arranged at N, as shown in FIG. ⁻ Type channel layer 7 and P ⁺ The present inventor has found that the (0001) facet growth region 10 is formed in the upper corner portion of the trench 6 in the mold second gate layer 8.
[0008]
The facet growth region 10 is generated on one side (the right side in FIG. 8A) 6a side of the two sides 6a and 6b perpendicular to the off direction in the planar pattern of the trench 6. The facet plane is a crystal plane that appears selectively due to the off-angle during crystal growth, and in this case, the (0001) just plane is a facet plane. Note that a face parallel to the face 10a in FIG. 8B is a facet face.
[0009]
Since the crystal growth is slow on this facet surface, N from the inner wall of trench 6 to the surface of semiconductor substrate 5 ⁻ When the mold channel layer 7 is formed, N ⁻ The mold channel layer 7 is not formed along the shape of the trench 6, and a facet surface occurs. That is, near the upper corner portion of the trench 6, the crystal does not grow in the direction perpendicular to the inner wall of the trench 6 and the surface of the semiconductor substrate 5, but the crystal grows in the direction perpendicular to the facet surface. The area where crystal growth occurs in the facet plane direction is the facet plane growth area 10.
[0010]
N ⁻ When the type channel layer 7 is formed, crystal defects are more likely to occur in the facet surface growth region 10 than in other regions, and the impurity concentration becomes higher. Therefore, N ⁺ Mold source region 4 and P ⁺ Leak occurs between the second gate layer 8 and the mold.
[0011]
In view of the above, the present invention provides a device and a method for manufacturing the same in a silicon carbide semiconductor device provided with a J-FET that can suppress leakage between a source region and a second gate layer.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is characterized in that the source region (4) is arranged in a region different from the facet growth region (10) existing in the channel layer (7). .
[0013]
By preventing the facet surface growth region from being present in the region where the source region is arranged, leakage between the source region and the gate layer can be suppressed.
[0014]
The planar pattern of the trench may be a pattern in which a plurality of trenches each having a polygonal opening shape are arranged, or a stripe pattern parallel to the off-direction as described in claim 2. In the case of the stripe shape, the opening shape of the trench can be rectangular or hexagonal, and can be another shape.
[0015]
Further, as described in claim 3, the opening shape of one trench (6) may be a hexagon having two sides parallel to the off-direction and all interior angles being 120 °.
[0016]
When the opening shape of the trench is such a hexagonal shape, the facet surface is generated only at corners arranged to face each other in the off direction. When the opening shape of the trench is rectangular, the facet surface is generated on the side perpendicular to the off direction. can do. For this reason, the source region can be enlarged and the effective area of the channel can be increased, so that the on-resistance can be reduced.
[0017]
Further, by setting all the inner angles to 120 °, all the inner walls of the trench can be crystallographically equivalent crystal planes. Thereby, the plane orientation of the channel layer formed on the inner wall of the trench by the epitaxial growth method can be matched, so that the thickness and the impurity concentration of the channel layer can be made uniform. As a result, device characteristics can be improved as compared with the case where the inner wall of the trench is formed of a different crystal plane.
[0018]
The invention according to claim 4 is characterized in that the channel layer (7) has no facet surface growth region (10).
[0019]
Since there is no facet growth region in the channel layer formed on the inner wall of the trench by the epitaxial growth method, crystal defects are present in the channel layer and there is no region having a high impurity concentration. Thus, leakage between the source region and the gate layer can be suppressed.
[0020]
The invention according to claim 5 is characterized in that a step of completely removing the facet surface growth region (10) existing in the upper corner portion of the trench (6) in the channel layer (7) is provided.
[0021]
Since the facet surface growth region is completely removed as described above, a crystal defect exists in the channel layer, and a region having a high impurity concentration does not exist. Thus, leakage between the gate region and the source layer can be suppressed.
[0022]
As a method for completely removing the facet surface growth region, a method for performing polishing as described in claim 6 or a method for performing reactive ion etching as described in claim 7 can be used.
[0023]
According to the invention as set forth in claim 6, the surface irregularities at the time of device completion can be reduced as compared with other methods.
[0024]
According to the seventh aspect of the present invention, since the removal amount in the substrate surface can be kept constant, the characteristic variation can be suppressed as compared with other methods. In addition, in the reactive ion etching, there is no risk of contaminating the substrate surface and there is no polishing damage to the substrate surface during polishing, so that it is possible to manufacture a device having stable electric characteristics as compared with other methods. it can.
[0025]
The method of completely removing the facet surface growth region is particularly useful when the source region (4) is formed by an epitaxial growth method. This is because, in this case, the source region cannot be arranged so as not to overlap with the facet surface growth region as in the first to third aspects of the present invention.
[0026]
According to the ninth aspect, a step of forming a semiconductor substrate (5), a step of forming a trench (6), a step of forming a mask (31) on a surface of the semiconductor substrate (5), Forming a first conductivity type channel layer (7) only on the inner wall of the trench (6) by epitaxial growth while leaving the mask (31) on the surface of the substrate (5); Forming a second gate layer (8) of the second conductivity type on the channel layer (7).
[0027]
When the channel layer is formed from the inner wall of the trench to the surface of the substrate by the epitaxial growth method, a facet surface growth region is generated in a corner portion at an upper portion of the trench. Therefore, by forming the channel layer by epitaxial growth only on the inner wall of the trench except on the substrate surface, it is possible to suppress the generation of the facet surface growth region. Thus, since a crystal defect exists in the channel layer and a region having a high impurity concentration does not exist, leakage between the source region and the gate layer can be suppressed.
[0028]
In the step of forming the mask, after forming the trench, the mask can be formed in a region other than the trench on the surface of the semiconductor substrate. Further, as described in claim 10, the channel layer can be formed using the trench forming mask as it is.
[0029]
According to the invention as set forth in claim 10, a trench caused by a mask shift generated when a mask for forming a trench and a mask used for forming a channel layer only on the inner wall of the trench are separately formed; It is possible to prevent the occurrence of displacement from the region where the channel layer is to be formed. Thereby, the channel layer can be favorably formed only on the inner wall of the trench without being formed on the substrate surface.
[0030]
Further, in the step of forming a mask, a mask (31) made of carbon can be formed.
[0031]
Note that carbon can be formed, for example, by subjecting a photoresist formed on a substrate surface to a heat treatment in an inert gas atmosphere. Since carbon is one of SiC raw materials, it is possible to prevent the formation of unintended impurity levels in a semiconductor layer formed by an epitaxial growth method.
[0032]
After the step of forming the second gate layer (8), the mask made of carbon is removed. As a method of removing the mask, for example, a thermal oxidation method can be used.
[0033]
As another mask removing method, a method of removing the mask (31) by plasma etching in an oxygen plasma atmosphere can be used. In this case, since the treatment is performed in an oxygen plasma atmosphere, substrate heating is not required, and the mask can be removed in a shorter time than thermal oxidation.
[0034]
In addition, the code | symbol in the parenthesis of each said means shows the correspondence with the concrete means described in embodiment mentioned later.
[0035]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(1st Embodiment)
FIG. 1 shows a silicon carbide semiconductor device including a J-FET according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a plan view, and FIG. 1B is a sectional view taken along line AA ′. The same components as those in FIG. 8 are denoted by the same reference numerals.
[0036]
The J-FET of the present embodiment is the same as the J-FET shown in FIG. ⁺ This is a modification of the planar pattern of the mold source region 4, and the other structure is the same as that of the J-FET shown in FIG.
[0037]
Specifically, similarly to the J-FET shown in FIG. ⁺ N on the mold substrate 1 ⁻ Type drift layer 2, P ⁺ Mold layer 3, N ⁺ A trench 6 is formed in a semiconductor substrate 5 on which a mold source region 4 is sequentially formed. From the inner wall of the trench 6 to the surface of the semiconductor substrate 5, N ⁻ A mold channel layer 7 is formed. Furthermore, N ⁻ P is formed on the mold channel layer 7 so as to completely fill the inside of the trench 6 and over the substrate surface. ⁺ A mold second gate layer 8 is formed.
[0038]
As in FIG. 8A, the trench 6 has a rectangular opening shape, and a pair of opposed two sides 6c and 6d of the rectangle are parallel to the off direction, and the other pair of opposed two The sides 6a and 6b are perpendicular to the off direction. Further, one pair of two sides 6c and 6d parallel to the off direction is longer than the other pair of two sides 6a and 6b. A plurality of trenches 6 having such an opening shape are arranged in a stripe shape.
[0039]
In the present embodiment, N ⁺ As the mold substrate 1, for example, a (0001) plane off substrate having an off angle of 8 ° and an off direction parallel to the <11-20> crystal axis direction is used. This off-substrate is a Si-face SiC substrate.
[0040]
Therefore, in FIG. 1A, of the rectangular sides, the side walls of the trench 6 at the two sides 6a and 6b perpendicular to the off direction are (11-20) planes. The off direction can be, for example, parallel to the <1-100> crystal axis direction. In this case, the side walls of the trench 6 on the two sides 6a and 6b perpendicular to the off direction are (1-100) planes. In this specification, when indicating a crystallographic plane orientation, a bar (-) should normally be added above a desired number, but a bar is added before the desired number due to restrictions on expression. are doing.
[0041]
In the present embodiment, as shown in FIG. 1A, the two sides 6a and 6b perpendicular to the off direction do not overlap with the two sides 6a and 6b perpendicular to the off direction in the planar pattern of the trench 6. Also N on the center side ⁺ The mold source region 4 is arranged.
[0042]
In other words, in the J-FET shown in FIG. ⁺ The planar layout has a trench 6 formed in the region of the mold source region 4. On the other hand, in the J-FET of the present embodiment, as shown in FIG. ⁺ The planar layout is such that both ends 6a and 6b of the trench 6 project from the region of the mold source region 4 in a direction parallel to the off direction.
[0043]
Thus N ⁺ The mold source region 4 is N ⁻ It is arranged in a region different from the (0001) facet growth region 10 existing in the mold channel layer 7.
[0044]
Next, a method of manufacturing the J-FET having such a structure will be described.
[0045]
The difference from the method described in the section of the prior art is that ⁺ The point at which the mold source region 4 is formed by ion implantation, and the point N closer to the center than the expected positions of the two sides 6a and 6b perpendicular to the off direction when the trench 6 having a rectangular opening is formed. ⁺ The point is that the mold source region 4 is arranged.
[0046]
In the present embodiment, N ⁻ In a region different from the region where the (0001) facet plane growth region 10 is to be generated when the mold channel layer 7 is ⁺ The mold source region 4 is arranged. That is, the facet growth region 10 and N ⁺ The mold source region 4 is arranged so as not to overlap. This gives N ⁺ In the region where the mold source region 4 is arranged, N ⁻ Since the facet surface growth region 10 does not exist in the ⁺ Mold source region 4 and P ⁺ Leakage with the mold second gate layer 8 can be suppressed.
[0047]
Note that P ⁺ The second gate layer 8 can be formed by an ion implantation method instead of the epitaxial growth method. In this case, N ⁻ When forming the channel layer 7, N is formed so as to completely bury the inside of the trench 6. ⁻ A mold channel layer 7 is formed. That is, P ⁺ N to the region where the second gate layer 8 is to be formed ⁻ A mold channel layer 7 is formed. Then N ⁻ By performing ion implantation on the surface layer of the channel layer 7, P ⁺ A mold gate layer 8 is formed.
[0048]
(2nd Embodiment)
2 and 3 are plan views of a silicon carbide semiconductor device including a J-FET according to the first and second examples of the present embodiment. The same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.
[0049]
The first example is N in the first embodiment. ⁺ The plan pattern of the mold source region 4 is changed. In the first embodiment, as shown in FIG. 1, N of the trench 6 is closer to the center than two sides 6 a and 6 b perpendicular to the off direction. ⁺ The mold source region 4 was arranged. That is, N ⁺ The planar layout is such that both ends 6a and 6b of the trench 6 project from the region of the mold source region 4 in a direction parallel to the off direction.
[0050]
On the other hand, as shown in FIG. ⁺ The mold source region 4 is extended in the left direction in the drawing, and N is overlapped with a side 6b perpendicular to the off direction. ⁺ The mold source region 4 is arranged. That is, of the two ends 6a and 6b of the trench 6, one end 6a on the side where the facet surface growth region 10 is generated is N ⁺ Projecting from the region of the mold source region 4 in a direction parallel to the off direction, and the other end 6b is N ⁺ The planar layout is located in the region of the mold source region 4.
[0051]
This has the same effect as that of the first embodiment, and furthermore, N ⁺ Since the mold source region 4 is expanded, the effective channel width can be increased. Thereby, the on-resistance can be reduced as compared with the first embodiment.
[0052]
The J-FET in the second example is obtained by changing the opening shape of one trench 6 in the first example from a rectangle to a hexagon while keeping a pair of two sides 6c and 6d parallel to the off direction. It is.
[0053]
Specifically, as shown in FIG. 3, a pair of opposed two sides 6c, 6d of the trench 6 are parallel to the off direction as in FIG. 2, and two sides 6a, perpendicular to the off direction in FIG. 6b, the right side 6a in the figure is replaced by hexagonal sides 6e and 6f, and the left side 6b in the figure is replaced by sides 6g and 6h. Corners 6i and 6j are located between sides 6e and 6f and between sides 6g and 6h, respectively. The corners 6i and 6j face each other in the off direction.
[0054]
In addition, all internal angles of the hexagon are each 120 °. Therefore, when the off direction is parallel to the <11-20> crystal axis direction, all the side walls of the trench 6 are crystallographically equivalent to the (1-100) plane. The off direction may be, for example, parallel to the <1-100> crystal axis direction. In this case, all the side walls of the trench 6 are crystallographically equivalent to the (11-20) plane.
[0055]
As described above, in the J-FET according to the second example, the opening shape of the trench 6 is hexagonal, so that the region where the facet surface growth region 10 occurs is located near the corner 6i as shown in FIG. It can only be. In this case, the facet surface growth region 10 is generated in a line parallel to the off direction at the corner 6i.
[0056]
Thereby, the facet surface growth region 10 can be reduced as compared with the case where the opening shape of the trench 6 is rectangular as in the first example. As a result, N ⁺ Since the mold source region 4 can be expanded as compared with the first example, that is, the effective area of the channel can be increased, so that the on-resistance can be reduced as compared with the first example.
[0057]
If the plane orientation of the side wall of the trench 6 is different, N ⁻ When the type channel layer 7 is formed by the epitaxial growth method, the crystal growth rate differs depending on the plane orientation of the side wall of the trench 6. Therefore, when the plane directions of the side walls of the trench 6 are different, N ⁻ The thickness and impurity concentration of the mold channel layer 7 vary depending on the plane orientation.
[0058]
On the other hand, in the J-FET of the second example, since the opening shape of the trench 6 is a hexagon in which all the internal angles are 120 °, all the side walls of the trench 6 are crystallographically equivalent surfaces. Has become. Therefore, N formed on the inner wall of the trench 6 by the epitaxial growth method ⁻ Since the plane orientation of the channel layer 7 can be matched, N ⁻ The thickness and impurity concentration of the mold channel layer 7 can be made uniform. As a result, device characteristics can be improved as compared with the case where the side walls of trench 6 are formed of different crystal planes.
[0059]
In the second example, as described above, the case where the opening shape of the trench 6 is a hexagon has been described. May be used as a polygon. This is because if there is no side perpendicular to the off-direction in the planar structure of the trench 6, the facet surface growth region 10 is generated only near one corner of the polygon.
[0060]
(Third embodiment)
FIG. 4 shows a silicon carbide semiconductor device including a J-FET according to the third embodiment. FIG. 4A is a plan view, and FIGS. 4B and 4C are cross-sectional views taken along line AA ′ and line BB ′ in FIG. 4A, respectively. The same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.
[0061]
When the J-FET of the present embodiment is completed, ⁻ By not leaving the facet surface growth region 10 of the type channel layer 7, N ⁺ Mold source region 4 and P ⁺ The structure is such that leakage with the mold second gate layer 8 is suppressed.
[0062]
Specifically, as shown in FIG. ⁻ Type channel layer 7 and P ⁺ Mold second gate layer 8 is not formed and only on the inner wall of trench 6 is N ⁻ Type channel layer 7 and P ⁺ A mold second gate layer 8 is formed. And N ⁻ The structure is such that the facet surface growth region 10 does not exist in the mold channel layer 7.
[0063]
A method for manufacturing a J-FET according to the present embodiment will be described. FIG. 5 shows a part of the manufacturing process of the J-FET according to the present embodiment. FIG. 5A corresponds to a sectional view taken along line AA ′ and a sectional view taken along line BB ′ in FIG.
[0064]
In the present embodiment, as in the manufacturing process of the J-FET described in the section of the related art, N ⁻ Type channel layer 7 and P ⁺ After forming the mold second gate layer 8, a step of removing the facet surface growth region 10 is performed.
[0065]
Specifically, as shown in FIG. 8, N is formed from the inner wall of trench 6 to the surface of semiconductor substrate 5 by an epitaxial growth method. ⁻ Forming a channel layer 7 and further adding N ⁻ P on the type channel layer 7 ⁺ A mold second gate layer 8 is formed. Thereafter, P is applied from the substrate surface by a CMP method or the like. ⁺ Type second gate layer 8 and N ⁻ The mold channel layer 7 is polished. At this time, polishing is performed at least up to the polishing line 21 shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b). The polishing line 21 indicates the lowest (lower side) position in the facet surface growth region 10, and the depth of the polishing line 21 from the substrate surface is determined by the off angle and the N ⁻ It can be calculated from the thickness of the mold channel layer 7.
[0066]
In the process of manufacturing the semiconductor device, the surface of the semiconductor substrate 5 is generally planarized by polishing. Therefore, in the manufacturing process of the J-FET having the structure shown in FIG. 8, polishing of the semiconductor substrate 5 in the state shown in FIGS. 8B and 8C may be considered. However, in the case of simply planarizing the surface of the semiconductor substrate 5, since the polishing is performed based on the position of the substrate surface, the facet surface growth region 10 may remain.
[0067]
Therefore, by polishing at least to the polishing line 21 shown in FIGS. 5A and 5B, the facet surface growth region 10 can be completely removed. This gives N ⁻ Since there is no crystal defect in the type channel layer 7 and no region with a high impurity concentration, ⁺ Type second gate layer 8 and N ⁺ Leakage with the mold source region 4 can be suppressed.
[0068]
The manufacturing method according to the present embodiment uses N ⁺ This is particularly useful when forming the mold source layer 4 by an epitaxial growth method. This is N ⁺ When the mold source region 4 is formed by the epitaxial growth method, as in the first and second embodiments, N ⁺ This is because the mold source region 4 cannot be arranged so as not to overlap the facet surface growth region 10. Note that, as in the first and second embodiments, N ⁺ This embodiment can be applied to the case where the mold source region 4 is formed by ion implantation.
[0069]
In this embodiment, the case where the facet surface growth region 10 is removed by polishing has been described. However, reactive ion etching can be performed instead of polishing.
[0070]
In each case, there is an advantage, and in the case of performing polishing, there is an advantage that surface irregularities at the time of device completion can be reduced. In addition, in the case of reactive ion etching, the amount of removal in the substrate surface can be kept constant, and thus there is an advantage that characteristic variations can be suppressed as compared with other methods such as polishing. Furthermore, in the case of reactive ion etching, there is no risk of contaminating the substrate surface, and there is no polishing damage to the substrate surface during polishing. There is an advantage that it can be manufactured.
[0071]
(Fourth embodiment)
FIG. 6 shows a silicon carbide semiconductor device including a J-FET according to the present embodiment. FIG. 6A is a plan view, and FIGS. 6B and 6C are cross-sectional views taken along line AA ′ and line BB ′ in FIG. 6A, respectively. In FIG. 6, for convenience of explanation of this embodiment, N ⁻ Also shown is a selection mask 31 used when forming the mold channel layer 7. The same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.
[0072]
Similarly to the third embodiment, when the J-FET of the present embodiment is completed, N ⁻ By not leaving the facet surface growth region 10 of the type channel layer 7, N ⁺ Mold source region 4 and P ⁺ The structure is such that leakage with the mold second gate layer 8 is suppressed.
[0073]
Specifically, as shown in FIG. ⁻ Type channel layer 7 and P ⁺ Mold second gate layer 8 is not formed and only on the inner wall of trench 6 is N ⁻ Type channel layer 7 and P ⁺ A mold second gate layer 8 is formed. And N ⁻ The structure is such that the facet surface growth region 10 does not exist in the mold channel layer 7. However, as described below, the J-FET of the present embodiment is different from the third embodiment in that the J-FET is formed using the selection mask 31.
[0074]
Next, a method of manufacturing the J-FET according to the present embodiment will be described. 7A to 7F show a manufacturing process of the J-FET according to the present embodiment. FIGS. 7A to 7F correspond to cross-sectional views taken along the line AA ′ shown in FIG. 6B.
[0075]
First, the semiconductor substrate 5 is formed in the step shown in FIG. In this step, as in the first embodiment, N ⁺ N on the mold substrate 1 ⁻ Type drift layer 2 and P ⁺ The mold layer 3 is sequentially formed by an epitaxial growth method. ⁺ Type source region 4 is also formed by epitaxial growth. ⁺ It is formed on the mold layer 3. Note that N ⁺ The mold source region 4 can also be formed by an ion implantation method.
[0076]
Subsequently, in a step shown in FIG. 7B, a selection mask 31 is formed on the surface of the semiconductor substrate 5. As will be described later, the selection mask 31 is a mask used when forming the trench 6 by etching and used when performing selective epitaxial growth. As the selection mask 31, for example, a mask made of carbon can be used.
[0077]
Specifically, a photoresist is formed on the surface of the semiconductor substrate 5, and a portion facing the region where the trench 6 is to be formed is removed by photolithography. Thereafter, heat treatment is performed in an inert gas atmosphere. Thus, a selection mask 31 made of carbon is formed. Note that the selection mask 31 may be formed by another method.
[0078]
Next, in the step shown in FIG. 7C, etching using the selection mask 31 is performed. As a result, the surface layer of the semiconductor substrate 5 becomes N ⁺ Mold source region 4 and P ⁺ N through the mold layer 3 ⁻ A trench 6 having a depth reaching the mold drift layer 2 is formed. At this time, the region where the trench 6 is formed is N, like the J-FET shown in FIG. ⁺ This is in the region where the mold source region 4 is formed.
[0079]
Then, in the step shown in FIG. 7D, N is formed on the inner wall of the trench 6 by an epitaxial growth method so that the recess of the trench 6 is left. ⁻ A mold channel layer 7 is formed. At this time, since the selection mask 31 is formed on the substrate surface, N ⁻ The mold channel layer 7 is not formed.
[0080]
Subsequently, in the step shown in FIG. ⁻ P on the type channel layer 7 ⁺ A mold second gate layer 8 is formed. Thereby, the inside of the trench 6 is completely buried.
[0081]
Thereafter, in the step shown in FIG. 7F, the selection mask 31 is removed. For example, the selective mask 31 is removed by performing thermal oxidation. Thus, the J-FET shown in FIG. 6 can be manufactured.
[0082]
In this embodiment, in the step shown in FIG. 7D, N epitaxial growth is performed using the selection mask 31. ⁻ A mold channel layer 7 is formed.
[0083]
From the experimental results of the present inventors, N ⁻ When the type channel layer 7 is formed by the epitaxial growth method, the facet surface growth region 10 is generated at the upper corner portion of the trench 6, particularly, from the inner wall of the trench 6 to the surface of the semiconductor substrate 5. ⁻ It is known that the time is when the mold channel layer 7 is formed by epitaxial growth.
[0084]
Therefore, as in the present embodiment, the crystal growth on the surface of the semiconductor substrate 5 is prevented by the selective epitaxial growth method, and N is formed only on the inner wall of the trench 6. ⁻ The formation of the facet surface growth region 10 can be suppressed by forming the mold channel layer 7. This gives N ⁻ Since there is no crystal defect in the type channel layer 7 and no region with a high impurity concentration, ⁺ Mold source region 4 and P ⁺ Leakage with the mold second gate layer 8 can be suppressed.
[0085]
Further, in the present embodiment, in the step shown in FIG. 7D, N ⁻ A mold channel layer 7 is formed. This is for the following reason.
[0086]
A mask for forming the trench 6 and a mask for selective epitaxial growth can be formed separately. In this case, in the step shown in FIG. 7C, after the trench 6 is formed, the trench forming mask is removed. Thereafter, a selection mask 31 is formed on the surface of the trench 6 excluding the trench.
[0087]
However, in this case, when the selection mask 31 is formed, a mask shift may occur with respect to the position of the trench 6. If a mask shift occurs, N ⁻ When the type channel layer 7 is formed by epitaxial growth, crystal growth on the surface of the semiconductor substrate 5 cannot be satisfactorily prevented.
[0088]
In contrast, as in the present embodiment, the trench 6 and the N ⁻ It is possible to prevent the occurrence of displacement from the region where the mold channel layer 7 is to be formed. This gives N ⁻ The mold channel layer 7 can be favorably formed only on the inner wall of the trench 6 without being formed on the substrate surface.
[0089]
In the present embodiment, a mask made of carbon is used as the selection mask 31. Since carbon is one of SiC raw materials, according to the present embodiment, formation of unintended impurity levels in a semiconductor layer formed by an epitaxial growth method can be prevented.
[0090]
Further, in the present embodiment, in the step shown in FIG. 7F, the selection mask 31 is removed by a thermal oxidation method. Carbon reacts with oxygen in the atmosphere to produce CO2 ₂ As gas. Therefore, according to the present embodiment, the selection mask 31 can be removed while preventing the generation of the residue of the mask material and without increasing the unevenness of the substrate surface.
[0091]
The selection mask 31 can be removed by plasma etching. In this case, etching is performed in an oxygen plasma atmosphere. In this case, it is not necessary to heat the substrate, and the mask can be removed in a shorter time than in the thermal oxidation method.
[0092]
(Other embodiments)
In each of the above embodiments, the case where the planar pattern of the trench 6 is a stripe is described as an example. However, the planar pattern of the trench 6 is not limited to the stripe, and a plurality of trenches having a polygonal opening shape are arranged. Patterns and other planar patterns can also be used.
[0093]
In each of the above embodiments, N ⁻ A silicon carbide semiconductor device provided with a J-FET in which an n-type impurity layer called a channel layer 7 serves as a channel, but a p-type impurity layer in which the conductivity type of each component of the silicon carbide semiconductor device is inverted is referred to as a channel. The present invention can also be applied to a silicon carbide semiconductor device having a J-FET.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a silicon carbide semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. (A) is a plan view, and (b) is a cross-sectional view taken along line AA 'in (a).
FIG. 2 is a plan view showing a silicon carbide semiconductor device according to a first example of the second embodiment.
FIG. 3 is a plan view showing a silicon carbide semiconductor device according to a second example of the second embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing a silicon carbide semiconductor device according to a third embodiment. (A) is a plan view, and (b) and (c) are cross-sectional views taken along line AA ′ and line BB ′ in (a), respectively.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device shown in FIG.
FIG. 6 is a diagram showing a silicon carbide semiconductor device according to a fourth embodiment. (A) is a plan view, and (b) and (c) are cross-sectional views taken along line AA ′ and line BB ′ in (a), respectively.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the silicon carbide semiconductor device shown in FIG.
FIG. 8 is a diagram showing a silicon carbide semiconductor device having a structure studied by the present inventors. (A) is a plan view, and (b) and (c) are cross-sectional views taken along line AA ′ and line BB ′ in (a), respectively.
[Explanation of symbols]
1 ... N ⁺ Mold substrate, 2 ... N ⁻ Type drift layer, 3 ... P ⁺ Mold layer,
4 ... N ⁺ Mold source region, 5 ... semiconductor substrate, 6 ... trench,
7 ... N ⁻ Type channel layer, 8 ... P ⁺ Second gate layer,
10: facet surface growth region, 21: polishing line, 31: selective mask.

Claims

A first conductivity type off-substrate (1) made of silicon carbide;
A first conductivity type drift layer (2) formed on the off-substrate (1) by an epitaxial growth method, and a second conductivity type first gate layer (2) formed on the drift layer (2) by an epitaxial growth method. 3) a semiconductor substrate (5) having a first conductivity type source region (4) formed by ion implantation on the first gate layer (3);
A trench (6) penetrating through the source region (4) and the first gate layer (3) and reaching the drift layer (2);
A first conductivity type channel layer (7) formed on the inner wall of the trench (6) by an epitaxial growth method;
A silicon carbide semiconductor device comprising: a second conductivity type second gate layer (8) formed on the channel layer (7);
The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the source region (4) is arranged in a region different from a facet growth region (10) existing in the channel layer (7).

The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the planar pattern of the trench (6) is a stripe parallel to an off direction.

3. The silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein an opening shape of one of the trenches has two sides parallel to an off direction, and all internal angles are hexagons with 120 °. 4. .

A first conductivity type off-substrate (1) made of silicon carbide;
A first conductivity type drift layer (2) formed on the off-substrate (1) by an epitaxial growth method, and a second conductivity type first gate layer (2) formed on the drift layer (2) by an epitaxial growth method. (3) a semiconductor substrate (5) having a first conductivity type source region (4) formed on the first gate layer (3);
A trench (6) penetrating the source region and the first gate layer (3) and reaching the drift layer (2);
A first conductivity type channel layer (7) formed on the inner wall of the trench (6) by an epitaxial growth method;
A silicon carbide semiconductor device comprising: a second conductivity type second gate layer (8) formed on the channel layer (7);
A silicon carbide semiconductor device, wherein a facet growth region (10) does not exist in the channel layer (7).

A first conductivity type drift layer (2) and a second conductivity type first gate layer (3) are sequentially formed on a first conductivity type off substrate (1) made of silicon carbide by an epitaxial growth method. By forming a first conductivity type source region (4) on the gate layer (3), the substrate (1), the drift layer (2), the first gate layer (3), and the source region Forming a semiconductor substrate (5) comprising (4);
Forming a trench (6) in the semiconductor substrate (5) so as to penetrate the source region (4) and the first gate layer (3) and reach the drift layer (2);
Forming a first conductivity type channel layer (7) on the inner wall of the trench (6) by an epitaxial growth method;
Forming a second conductivity type second gate layer (8) on the channel layer (7);
Completely removing a facet surface growth region (10) existing in an upper corner portion of the trench (6) in the channel layer (7).

The step of completely removing the facet surface growth region (10) includes completely removing the facet surface growth region (10) by polishing a surface of the semiconductor substrate (5). 6. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to item 5.

In the step of completely removing the facet surface growth region (10), the facet surface growth region (10) is completely removed by performing reactive ion etching on the surface of the semiconductor substrate (5). The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 5, wherein:

The method of manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to any one of claims 5 to 7, wherein in the step of forming the semiconductor substrate (5), the source region (4) is formed by an epitaxial growth method.

A first conductivity type drift layer (2) and a second conductivity type first gate layer (3) are sequentially formed on a first conductivity type off substrate (1) made of silicon carbide by an epitaxial growth method. By forming a first conductivity type source region (4) on the gate layer (3), the substrate (1), the drift layer (2), the first gate layer (3), and the source region Forming a semiconductor substrate (5) comprising (4);
Forming a trench (6) so as to penetrate the source region (4) and the first gate layer (3) and reach the drift layer (2);
Forming a mask (31) on the surface of the semiconductor substrate (5);
With the mask (31) remaining on the surface of the semiconductor substrate (5), a channel layer (7) of the first conductivity type is formed only on the inner wall of the trench (6) by an epitaxial growth method. The process of
Forming a second gate layer (8) of the second conductivity type on the channel layer (7).

The step of forming the mask is between the step of forming the semiconductor substrate (5) and the step of forming the trench (6);
In the step of forming the mask (31), the mask (31), which also functions as a mask used when forming the trench (6), is formed.
The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 9, wherein in the step of forming the trench (6), the trench (6) is formed using the mask (31).

The method of manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 9, wherein, in the step of forming the mask, a mask made of carbon is formed.

12. The method according to claim 9, further comprising, after the step of forming the second gate layer, removing the mask by plasma etching in an oxygen plasma atmosphere. Of manufacturing a silicon carbide semiconductor device.