JP2005328014A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve crystal defects or the profile of the inner wall of a trench, when a trench type semiconductor element is formed using silicon carbide. <P>SOLUTION: After a trench 6 having aspect ratio of 2 or larger and trench inclination angle of 80° or larger is formed by dry etching in a substrate 20 of silicon carbide (0001)Si plane, damage area on the inner surface of the trench at dry etching is removed, by etching in reduced pressure hydrogen atmosphere at 1,600°C or higher. Damaged region can be removed in a short time, because of the characteristics of high temperature hydrogen. Since surface irregularities and a deterioration layer are not left in the trench after damages have been removed, the level derived from the deterioration layer can be made so as not to exist, and surface irregularities can be reduced to a very low level. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

炭化珪素半導体基板にトレンチを形成して、その内部にエピタキシャル層を埋め込んだ半導体装置の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device in which a trench is formed in a silicon carbide semiconductor substrate and an epitaxial layer is embedded therein.

従来、非特許文献1において、炭化珪素半導体の埋め込み技術について記載されている。この非特許文献1では、トレンチ傾斜角約50度、アスペクト比1以下の様々のトレンチ幅を有する試料を用いて、成長温度1480と1620℃、C/Si比1.2と4.0でエピタキシャル成長を行った実験が行われている。   Conventionally, Non-Patent Document 1 describes a technique for embedding a silicon carbide semiconductor. In this non-patent document 1, epitaxial growth is performed at a growth temperature of 1480 and 1620 ° C. and a C / Si ratio of 1.2 and 4.0, using samples having various trench widths with a trench inclination angle of about 50 degrees and an aspect ratio of 1 or less. The experiment which performed is performed.

図7(a)、(b)は、エピタキシャル層の成長形状の一例を示したものである。図7(a)、(b)からも判るように、非特許文献1には、エピタキシャル層の成長形状は、成長温度よりもC/Si比に強く依存しており、C/Si比が低い場合には、表面反応律速となって、複数のファセット面が現れるファセット面成長となり、C/Si比が高い場合には、気相拡散律速になることが記載されている。   FIGS. 7A and 7B show an example of the growth shape of the epitaxial layer. As can be seen from FIGS. 7A and 7B, according to Non-Patent Document 1, the growth shape of the epitaxial layer strongly depends on the C / Si ratio rather than the growth temperature, and the C / Si ratio is low. In some cases, the surface reaction rate is limited, and facet surface growth in which a plurality of facet surfaces appear, and when the C / Si ratio is high, the gas phase diffusion rate is determined.

また、トレンチ内をエピタキシャル膜で埋め込む従来技術としては、シリコン半導体に関する技術が多数開示されている。例えば、特許文献1では、トレンチエッチング工程で発生するトレンチ内面(側面、底面)の面荒れや結晶欠陥について、非酸化性雰囲気で熱処理を行うことでトレンチ内面を平滑化し、埋め込み層の結晶性を向上させることが示されている。   Further, as a conventional technique for filling the trench with an epitaxial film, many techniques related to silicon semiconductors are disclosed. For example, in Patent Document 1, surface roughness and crystal defects on the inner surface (side surface and bottom surface) of the trench generated in the trench etching process are smoothed by performing heat treatment in a non-oxidizing atmosphere, and the crystallinity of the buried layer is increased. It has been shown to improve.

また、特許文献2では、トレンチ底部角部を丸く整形する効果が記述されており、トレンチ底部の応力を緩和させ、トレンチ底部での成長レート減少を防止できることが示されている。この技術は、記載事実の視点を変えれば、特定面(例えば、底面と側面)の成長が互いに合流する領域が小さければ応力が大きくなるが、角を丸める(特定面が出ないようにする)ことにより、合流する領域を大きくして応力緩和を図っていると見ることもできる。すなわち、トレンチ底部角部を丸く整形することは、成長時の結晶応力を緩和し、結晶性の良好な埋め込み層を形成する必要条件であるといえる。
特許3424667号公報 特開2003−218038号公報 1998年、Materials Science Forum Vols.264−268、P.131〜134
Further, Patent Document 2 describes the effect of rounding the corners of the bottom of the trench, and it is shown that the stress at the bottom of the trench can be relaxed and the growth rate at the bottom of the trench can be prevented from decreasing. In this technique, if the viewpoint of the description fact is changed, the stress increases if the region where the growth of the specific surface (for example, the bottom surface and the side surface) merges with each other is small, but rounds the corner (makes the specific surface not appear). Therefore, it can be seen that the area where the merging is enlarged is intended to relieve stress. That is, it can be said that shaping the bottom corner of the trench to be round is a necessary condition for relaxing the crystal stress during growth and forming a buried layer with good crystallinity.
Japanese Patent No. 3424667 JP 2003-218038 A 1998, Materials Science Forum Vols. 264-268, P. 131-134.

しかしながら、特開2003−69041号公報に開示された炭化珪素トレンチJ−FETにおける、トレンチ内に形成されるN型チャネル層やp+型ゲート領域を形成する場合、特に、トレンチのアスペクト比が2以上で、傾斜角がほぼ垂直である場合、前述した従来技術では対応できない課題が発生する。   However, in the case of forming an N-type channel layer or a p + -type gate region formed in the trench in the silicon carbide trench J-FET disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2003-69041, the aspect ratio of the trench is 2 or more. In the case where the tilt angle is substantially vertical, there arises a problem that cannot be dealt with by the above-described prior art.

すなわち、非特許文献1では、対象とする傾斜角が垂直で高アスペクトなトレンチの埋め込みに関して、高C/Si比条件では、非トレンチ部に比較してトレンチ内部への原料ガスの供給が少なくなるため、N型チャネル層の形成では、図7(a)に示されるように形状がオ一バーハング状態となり、P型ゲート領域の形成では、トレンチ内に空洞が発生するという課題があった。さらに、図7(b)に示されるように必然的に非トレンチ部に比較してトレンチ内部の成長レートが低くなるため、たとえ空洞が発生しないように埋め込みができたとしても、埋め込み後のエッチバック工程における不要なエピタキシャル膜の除去膜厚が、トレンチ深さより必ず大きくなるという課題もあった。 That is, in Non-Patent Document 1, regarding the filling of a trench with a vertical inclination angle and a high aspect, the supply of the source gas into the trench is less than that in the non-trench portion under the high C / Si ratio condition. Therefore, in the formation of the N-type channel layer, the shape is overhanged as shown in FIG. 7A, and in the formation of the P + -type gate region, there is a problem that a cavity is generated in the trench. Further, as shown in FIG. 7B, the growth rate inside the trench is inevitably lower than that in the non-trench portion, so that even if the burying can be performed without generating a cavity, the etching after the burying is performed. There is also a problem that the removal thickness of the unnecessary epitaxial film in the back process is necessarily larger than the trench depth.

また、低C/Si比条件ではファセット面成長が支配的となるとしているが、面方位による成長レートの差は明かにされておらず、非トレンチ部に比較してトレンチ内部の成長レートをいかに大きくし、埋め込み後のエッチバック工程における不要なエピタキシャル膜の除去膜厚をいかに減少させるかも示されていなかった。   In addition, although facet growth is dominant under low C / Si ratio conditions, the difference in growth rate depending on the plane orientation has not been clarified, and how is the growth rate inside the trench compared to the non-trench part? It has not been shown how to reduce the thickness of the removed unnecessary epitaxial film in the etch-back process after embedding.

また、シリコン技術におけるトレンチ内面の平滑化は、熱処理中のSi結晶流動性(例えば、特開平11−74483参照)の特徴を生かしたもので、効果的に表面凹凸、結晶欠陥を低減することができる。しかも同時にトレンチ角部も丸めることが可能で、トレンチ幅をほとんど変えることなく、トレンチ開口部を拡大し、トレンチ内への原料ガス供給を効果的に増加できるし、トレンチ底部も角部がないため、埋め込み層の結晶性も良好で、しかも、その形状から半導体素子のオフ時の電界集中も抑制できる。   In addition, the smoothing of the trench inner surface in silicon technology takes advantage of the characteristics of Si crystal fluidity during heat treatment (for example, see JP-A-11-74483), and can effectively reduce surface irregularities and crystal defects. it can. In addition, the corners of the trench can be rounded at the same time, the trench opening can be enlarged and the supply of source gas into the trench can be effectively increased without changing the trench width, and there is no corner at the bottom of the trench. The crystallinity of the buried layer is also good, and the electric field concentration when the semiconductor element is turned off can be suppressed due to its shape.

一方、炭化珪素では液相状態が存在しないため流動性がない。そのため、炭化珪素では、トレンチエッチング工程で発生するトレンチ内面(側面、底面)の面荒れや結晶欠陥の除去は、それらを含む炭化珪素結晶領域をエッチングで除去する必要がある。ところが、炭化珪素には、トレンチエッチングダメージを効果的に除去できるウエットエッチング液、ドライエッチング条件も明確でなく、また、犠牲酸化も酸化レートが低く長時間の酸化時間が必要になるという問題点があった。   On the other hand, silicon carbide has no fluidity because there is no liquid phase. Therefore, in the case of silicon carbide, it is necessary to remove the silicon carbide crystal region including the surface roughness and crystal defects on the inner surface (side surface, bottom surface) of the trench generated in the trench etching process. However, silicon carbide has a problem in that the wet etching solution that can effectively remove the trench etching damage and the dry etching conditions are not clear, and the sacrificial oxidation has a low oxidation rate and requires a long oxidation time. there were.

その他、有効なエッチング技術としては、平面エピタキシャル成長の成長前処理として一般的に用いられている水素エッチングやHCLエッチングがある。通常、これらの技術は、Siでも1000℃程度で用いられており、炭化珪素でも同様なメカニズムが作用していると考えられやすいが、Siと炭化珪素ではそのメカニズムは全く異なっている。   Other effective etching techniques include hydrogen etching and HCL etching that are commonly used as pre-growth processing for planar epitaxial growth. Usually, these techniques are used even at Si at about 1000 ° C., and it is easy to think that the same mechanism is acting on silicon carbide, but the mechanism is completely different between Si and silicon carbide.

すなわち、Siでは1000℃程度の熱処理でSiの流動性を促進して再結晶化することにより、面荒れや結晶欠陥の除去が行われる。そのため、雰囲気としては、非酸化雰囲気であれば充分な効果が得られる。一方、炭化珪素は、CとSiの2つの元素から構成されており、流動性もないため、それぞれの元素を基板表面から離脱させる必要がある。通常、C元素は、高温水素と反応させハイドロカーボン(CxHy)として離脱させ、Si元素は減圧下での気化作用で離脱させる。そのため、炭化珪素のエッチングでは、減圧下で1300℃以上の水素雰囲気もしくは、常圧下では、1300℃以上のHClを添加した水素雰囲気が必要不可欠となる。そのため、常圧でHClを添加しない水素雰囲気で熱処理を行うと、C元素のみが離脱し、Si元素の離脱が阻害されるため、Siのみが基板表面に残留し凝集するいわゆるSiドロップレット現象というSi技術にはない現象が発生する。   That is, in the case of Si, surface roughness and crystal defects are removed by recrystallization by promoting Si fluidity by heat treatment at about 1000 ° C. Therefore, a sufficient effect can be obtained if the atmosphere is a non-oxidizing atmosphere. On the other hand, since silicon carbide is composed of two elements, C and Si, and has no fluidity, it is necessary to separate each element from the substrate surface. Usually, the C element reacts with high-temperature hydrogen to be released as hydrocarbon (CxHy), and the Si element is released by a vaporizing action under reduced pressure. Therefore, in etching silicon carbide, a hydrogen atmosphere at 1300 ° C. or higher under reduced pressure or a hydrogen atmosphere to which HCl at 1300 ° C. or higher is added under normal pressure is indispensable. Therefore, when heat treatment is performed in a hydrogen atmosphere without adding HCl at normal pressure, only the C element is released, and the release of the Si element is inhibited, so that only Si remains on the substrate surface and is called a so-called Si droplet phenomenon. A phenomenon that does not exist in Si technology occurs.

このような特徴を有する炭化珪素エッチングであるが、これをトレンチ形状に適用した場合、これまで詳細に議論された例はなかった。そのため、エッチング面の面方位によるエッチングレート差も明らかでなく、また、トレンチ角部も、複数のファセット面が発生する表面反応律速をいかに防止して丸くするのか、その条件も明確でないという課題があった。さらに、トレンチ内部(側面、底面)のトレンチエッチングダメージ領域を除去した場合、どの程度、表面凹凸、結晶欠陥の低減効果があるのかも明確でなかった。   Although silicon carbide etching having such characteristics has not been discussed in detail until now when it is applied to a trench shape. Therefore, the etching rate difference due to the surface orientation of the etching surface is not clear, and the trench corner also has a problem that the condition of how to prevent and round the surface reaction rate control that multiple facet surfaces are generated is not clear. there were. Furthermore, it was not clear how much the surface unevenness and the crystal defect reduction effect were obtained when the trench etching damage region inside the trench (side surface, bottom surface) was removed.

本発明は上記点に鑑みて、炭化珪素を用いてトレンチ形の半導体素子を形成する場合において、トレンチ内壁の結晶欠陥や形状の改善を図ることができる炭化珪素半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。   In view of the above points, the present invention provides a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device capable of improving crystal defects and shape of an inner wall of a trench when a trench type semiconductor element is formed using silicon carbide. With the goal.

上記目的を達成するべく、本発明者らは、まず初めに、水素エッチングのトレンチ形状に適用した場合の課題について検討を行った。   In order to achieve the above-mentioned object, the present inventors first examined a problem when applied to a trench shape of hydrogen etching.

前述したように、埋め込み成長前処理としては、トレンチ底部角部を丸く整形する必要があるが、それには、エッチング反応を気相拡散律速にしてファセット面が出現する表面反応律速を抑えることが必要である。複数のファセット面は、エッチング反応で生成される反応生成物の拡散(排出)が充分で、かつ、比較的反応温度が低い場合に、それぞれの結晶面の表面エネルギーの差に従って出現する。このファセット面が発生するような条件のときには、表面反応律速となる。従って、気相拡散律速にするためには、どの面方位でも充分反応できるように反応温度を高くしたり、反応生成物の拡散を抑えるように圧力を高くすれば良いことになる。   As described above, as the pre-buried growth treatment, it is necessary to shape the bottom corner of the trench to be rounded. To do so, it is necessary to suppress the surface reaction rate-determining that the facet surface appears by making the etching reaction gas-phase diffusion-controlled. It is. The plurality of facet planes appear according to the difference in surface energy of each crystal plane when the reaction product produced by the etching reaction is sufficiently diffused (discharged) and the reaction temperature is relatively low. When the condition is such that the facet plane is generated, the surface reaction is limited. Therefore, in order to control the gas phase diffusion rate, the reaction temperature may be increased so that the reaction can be sufficiently performed in any plane orientation, or the pressure should be increased so as to suppress the diffusion of the reaction product.

したがって、本発明者らは、実際の(0001)Si面炭化珪素基板にトレンチ形状を形成した試料を用いて水素エッチングの実験を行った。このとき、基板温度を1500〜1650℃、圧力を2.7×10Pa(200Torr)と8.6×10Pa(600Torr)としている。図3は、この実験結果を示した図である。 Therefore, the present inventors conducted an experiment of hydrogen etching using a sample in which a trench shape was formed on an actual (0001) Si-plane silicon carbide substrate. At this time, the substrate temperature is set to 1500 to 1650 ° C., and the pressure is set to 2.7 × 10 4 Pa (200 Torr) and 8.6 × 10 4 Pa (600 Torr). FIG. 3 shows the results of this experiment.

この図に示されるように、1625℃以上では、いずれの圧力でも角部を丸くすることができた。一方、1500℃では、いずれの圧力ともファセット面が現れた。すなわち、炭化珪素における埋め込み前の水素エッチング条件として、1625℃以上が必要であることを見出した。また、8.6×10Pa(600Torr)の圧力では、1600℃でもファセット面が現れないことが判明した。 As shown in this figure, the corners could be rounded at any pressure above 1625 ° C. On the other hand, at 1500 ° C., a facet surface appeared at any pressure. That is, it has been found that 1625 ° C. or higher is necessary as a hydrogen etching condition before filling in silicon carbide. Further, it was found that no facet surface appeared even at 1600 ° C. at a pressure of 8.6 × 10 4 Pa (600 Torr).

また、別の実験からエッチングレートの面方位異方性として、いかなる条件においてもSi面、a面、C面の順にエッチングレートが大きくなることが判明した。このことは、基板表面におけるSi原子とC原子の割合がエッチングレートを決めており、本質的にはSi原子の離脱過程が律速過程であると考えられる。   Further, from another experiment, it was found that the etching rate increases in the order of the Si plane, the a plane, and the C plane under any conditions as the plane direction anisotropy of the etching rate. This is because the ratio of Si atoms to C atoms on the substrate surface determines the etching rate, and it is considered that the detachment process of Si atoms is essentially the rate-determining process.

次に、本発明者らは埋め込み形状が、初期段階でオーバーハング状態になったり、最終段階で空洞が発生するという課題及び、非トレンチ部に比較してトレンチ内部の成長レートが低くなるという課題について検討を行った。   Next, the inventors have a problem that the embedded shape is in an overhang state in the initial stage or a cavity is generated in the final stage, and a problem that the growth rate inside the trench is lower than that in the non-trench portion. Was examined.

まず、成長反応が表面反応律速(非特許文献1では、低C/Si比条件に相当)の場合、成長レートは結晶面方位で決まるため、トレンチ側面の成長レートが底面に比べ大きい場合にはかなり有効な手段となる。ただ、前述したように、特定面の成長が互いに合流する領域が表面反応律速ゆえに徐々に小さくなってしまい、応力発生のため結晶性の良好な埋め込み層を最終的には形成できない可能性がある。   First, when the growth reaction is surface reaction-controlled (in Non-Patent Document 1, this corresponds to a low C / Si ratio condition), the growth rate is determined by the crystal plane orientation. It is a very effective means. However, as described above, the region where the growth of specific surfaces merge with each other is gradually reduced due to the surface reaction rate control, and there is a possibility that a buried layer with good crystallinity cannot be finally formed due to the generation of stress. .

そして、成長反応が気相拡散律速(非特許文献1では、高C/Si比条件)の場合には、非トレンチ部に比べ、トレンチ内部特にトレンチ底部への原料ガス供給が必然的に少なくなるため、オーバーハングや空洞、非トレンチ部膜厚増大の課題が発生する。   When the growth reaction is vapor phase diffusion-controlled (in Non-Patent Document 1, a high C / Si ratio condition), the supply of source gas to the inside of the trench, particularly to the bottom of the trench, is inevitably reduced as compared with the non-trench portion. Therefore, the problem of an overhang, a cavity, and the increase in film thickness of a non-trench portion occurs.

しかしながら、エピタキシャル膜の成長は可逆反応であり、デポジションとエッチングのバランスで実質的な成長量が決まっている。すなわち、デポジション量からエッチング量を差し引いた値が実質的な成長量で、プラスなら成長、マイナスならエッチングとなる。一般的成長では、デポジション量に比べエッチング量が無視できるほど小さいため、デポジション量がそのまま成長量とみなされる。そこで、デポジションとエッチングを共に活性化させた場合、すなわち基板温度を高めた場合どうなるかを検討した。   However, the growth of the epitaxial film is a reversible reaction, and the substantial growth amount is determined by the balance between deposition and etching. That is, the value obtained by subtracting the etching amount from the deposition amount is a substantial growth amount. In general growth, since the etching amount is negligibly small compared to the deposition amount, the deposition amount is regarded as the growth amount as it is. Therefore, we examined what happens when both deposition and etching are activated, that is, when the substrate temperature is increased.

図8(a)、(b)は、(0001)Si面にトレンチを形成し、側面をa面とし、基板温度を高めた場合の予想成長形態の概念図である。   FIGS. 8A and 8B are conceptual diagrams of an expected growth mode when a trench is formed on the (0001) Si surface, the side surface is an a surface, and the substrate temperature is increased.

まず、図8(a)に、キャリアガス(H)に原料ガス(SiH、C)を添加しない時のHエッチングによる形状を示す。前述のHエッチングの面方位異方性により、トレンチ100の側面は、トレンチ100の底面及び非トレンチ部に比較してエッチングレートが高いため、トレンチ100の側面が選択的にエッチングされた形状となる。また、トレンチ100の角部は気相拡散律速の効果で丸くなっている。 First, FIG. 8A shows a shape by H 2 etching when the source gas (SiH 4 , C 3 H 8 ) is not added to the carrier gas (H 2 ). Due to the plane orientation anisotropy of the H 2 etching described above, the side surface of the trench 100 has a higher etching rate than the bottom surface of the trench 100 and the non-trench portion, so that the side surface of the trench 100 is selectively etched. Become. Further, the corners of the trench 100 are rounded due to the effect of vapor phase diffusion control.

一方、図8(b)は、キャリアガス(H)に原料ガス(SiH、C)を添加した場合の成長形状である。この場合の成長は、Hエッチングの面方位異方性の影響を強く受けてa面の成長レートがSi面より低下する。その結果、成長レートとして、トレンチ100の上部側面、トレンチ100の下部側面、非トレンチ部、トレンチ100の底部の順で大きくなると予想される。 On the other hand, FIG. 8B shows a growth shape when the source gas (SiH 4 , C 3 H 8 ) is added to the carrier gas (H 2 ). The growth in this case is strongly influenced by the plane orientation anisotropy of H 2 etching, and the growth rate of the a plane is lower than that of the Si plane. As a result, the growth rate is expected to increase in the order of the upper side surface of the trench 100, the lower side surface of the trench 100, the non-trench portion, and the bottom portion of the trench 100.

そしてこの成長レートが実現できれば、初期段階でオーバーハング状態になったり、最終段階で空洞が発生するという課題及び、非トレンチ部に比較してトレンチ内部の成長レートが低くなるという課題は解決できると考え、確認実験を次のように実施した。   And if this growth rate can be realized, the problems of overhanging in the initial stage and the generation of cavities in the final stage and the problem of a lower growth rate inside the trench compared to the non-trench part can be solved. The confirmation experiment was carried out as follows.

本発明者らは、実際の炭化珪素基板にトレンチ形状を形成した試料を用い、成長パラメータとして、成長温度と原料ガス供給量(実質的成長レート)を変化させて埋め込み成長を行った。なお、埋め込み前の水素エッチングの条件は、温度を1625℃、圧力を2.7×10Pa(200Torr)としている。 The inventors of the present invention used a sample in which a trench shape was formed on an actual silicon carbide substrate, and performed embedded growth while changing the growth temperature and the amount of material gas supply (substantial growth rate) as growth parameters. The conditions for the hydrogen etching before filling are a temperature of 1625 ° C. and a pressure of 2.7 × 10 4 Pa (200 Torr).

図9に結果を示す。この結果、成長温度1625℃以上、成長レート約2.5μm以下の試料において上記課題を解決することができた。すなわち、初期段階でオーバーハング状態にもならないし、最終段階で空洞の発生もなくなった。また、図10(a)、(b)、(c)に成長温度1625℃、成長レート約2.5μmの場合の成長形状の時間変化を示す。エピタキシャルの成長レートは、トレンチ100の上部側面、トレンチ100の下部側面、非トレンチ部、トレンチ100の底部の順で大きくなっている。すなわち、非トレンチ部に比較してトレンチ100の内部の成長レートをも高めることができた。このことは、a面のエッチングレートがSi面より大きいことから導かれる結論と矛盾しない。   FIG. 9 shows the result. As a result, the above problems could be solved in a sample having a growth temperature of 1625 ° C. or more and a growth rate of about 2.5 μm or less. In other words, the overhang state did not occur in the initial stage, and no cavities were generated in the final stage. FIGS. 10A, 10B and 10C show changes in the growth shape with time when the growth temperature is 1625 ° C. and the growth rate is about 2.5 μm. The epitaxial growth rate increases in the order of the upper side surface of the trench 100, the lower side surface of the trench 100, the non-trench portion, and the bottom portion of the trench 100. That is, the growth rate inside the trench 100 can be increased as compared with the non-trench portion. This is consistent with the conclusion derived from the fact that the etching rate of the a-plane is larger than that of the Si-plane.

したがって、請求項1に記載の発明では、トレンチマスク形成工程にて、炭化珪素からなる(0001)Si面の半導体基板(20、45)の上面にトレンチエッチング用マスク(21、60)を形成したのち、トレンチ形成工程にて、このトレンチエッチング用マスク(21、60)を用いたエッチングを行って、半導体基板(20、45)にアスペクト比2以上でかつ、トレンチ傾斜角80度以上のトレンチ(6、47)を形成し、その後、ダメージ除去工程にて、半導体基板(21、60)に形成されたトレンチ(6、47)の内面のトレンチエッチングダメージ領域を1600℃以上の減圧の水素雰囲気でエッチング除去することを特徴としている。   Therefore, in the first aspect of the invention, the trench etching mask (21, 60) is formed on the upper surface of the (0001) Si-faced semiconductor substrate (20, 45) made of silicon carbide in the trench mask forming step. After that, in the trench formation step, etching using this trench etching mask (21, 60) is performed, so that the semiconductor substrate (20, 45) has a trench with an aspect ratio of 2 or more and a trench inclination angle of 80 degrees or more. 6 and 47), and then, in the damage removing step, the trench etching damage region on the inner surface of the trench (6, 47) formed in the semiconductor substrate (21, 60) is formed in a hydrogen atmosphere at a reduced pressure of 1600 ° C. or higher. It is characterized by etching away.

このように、1600℃以上の減圧の水素雰囲気でエッチングすることにより、高温水素の特性から短時間でダメージ領域除去が可能となる。しかも底面のSi面に比べ側面のa面のエッチングレートが大きい。そのため、トレンチ形成工程で発生した底面より大きな側面の凹凸を選択的にエッチングでき、短時間で、効率的にトレンチ内の表面凹凸を低減することができる。   In this way, by etching in a hydrogen atmosphere at a reduced pressure of 1600 ° C. or higher, the damaged region can be removed in a short time due to the characteristics of high-temperature hydrogen. In addition, the etching rate of the side a surface is higher than that of the bottom Si surface. Therefore, the unevenness on the side surface larger than the bottom surface generated in the trench formation step can be selectively etched, and the surface unevenness in the trench can be efficiently reduced in a short time.

その結果、後工程でエピタキシャル成長を行ったときに、表面凹凸がきわめて小さくなり、表面凹凸が原因となるエピタキシャル層内での準位の発生を防止することができる。そのため、半導体基板(20、45)を構成する各層とエピタキシャル層とによるPN接合に関して、リーク電流の少ない接合とすることができる。   As a result, when epitaxial growth is performed in a subsequent process, the surface unevenness becomes extremely small, and the generation of levels in the epitaxial layer caused by the surface unevenness can be prevented. For this reason, the PN junction formed by the layers constituting the semiconductor substrate (20, 45) and the epitaxial layer can be a junction with a small leakage current.

請求項2に記載の発明では、ダメージ除去工程前において、トレンチエッチング用マスク(21、60)を除去するトレンチマスク除去工程を行うことを特徴としている。このように、ダメージ除去工程前にトレンチエッチング用マスク(21、60)を除去しておくことにより、エピタキシャル成長時にそのマスク材中に含まれる不純物の影響を完全になくすことができる。   The invention described in claim 2 is characterized in that a trench mask removing step for removing the trench etching mask (21, 60) is performed before the damage removing step. Thus, by removing the trench etching mask (21, 60) before the damage removing step, the influence of impurities contained in the mask material during the epitaxial growth can be completely eliminated.

請求項3に記載の発明では、トレンチマスク除去工程の後において、半導体基板(20、45)の上面におけるトレンチ(6、47)とは異なる領域の一部に選択エピタキシャル用マスク(31)を形成する選択マスク形成工程を有することを特徴としている。   According to the third aspect of the present invention, after the trench mask removing step, the selective epitaxial mask (31) is formed in a part of the region different from the trench (6, 47) on the upper surface of the semiconductor substrate (20, 45). And a selective mask forming step.

このように、アライメント用に形成したトレンチ領域上に選択マスクを形成するようにすれば、エピタキシャル成長時の埋め込みを防止し、エピタキシャル成長前後のアライメントを確保することができる。また、選択マスクを除去した後、エッチバック工程時にアライメント用に形成したトレンチの深さを測定しながらエッチバックすることにより、所望のエッチング量に制御することも可能となる。   Thus, if a selection mask is formed on the trench region formed for alignment, it is possible to prevent embedding during epitaxial growth and to ensure alignment before and after epitaxial growth. In addition, after removing the selection mask, it is possible to control the etching amount to a desired level by performing etch back while measuring the depth of the trench formed for alignment during the etch back process.

請求項4に記載の発明では、ダメージ除去工程では、気相拡散律速反応によってダメージ除去を行うことで、トレンチ(6、47)の角部を丸くすることを特徴としている。   The invention according to claim 4 is characterized in that, in the damage removal step, the corners of the trenches (6, 47) are rounded by removing the damage by vapor phase diffusion-controlled reaction.

このように丸形状にすることにより、トレンチ開口部では、次工程のエピタキシャル成長時に、効果的に原料ガスのトレンチ内への侵入を促進する。更に、トレンチパターン間の非トレンチ平面部の距離を短くする。そのため、トレンチのアスペクト比が高くされる場合におけるオーバーハング形状の発生を防止できるだけでなく、非トレンチ平面部の成長も抑制することができる。
このため、後工程でエピタキシャル層を形成したとしても、これらによって非トレンチ部の成長を抑制し、かつ、空洞のないトレンチ埋め込みが可能となる。一方、トレンチ底部では、エピタキシャル成長時の結晶応力を分散して緩和する効果を有するため、結晶性の良好なエピタキシャル膜の形成を可能にできる。
Such a round shape effectively promotes the penetration of the source gas into the trench at the trench opening during the epitaxial growth of the next process. Furthermore, the distance of the non-trench plane part between trench patterns is shortened. Therefore, it is possible not only to prevent the occurrence of an overhang shape when the trench aspect ratio is increased, but also to suppress the growth of the non-trench planar portion.
For this reason, even if an epitaxial layer is formed in a subsequent process, the growth of the non-trench portion can be suppressed by these, and the trench can be buried without a cavity. On the other hand, the trench bottom has an effect of dispersing and relaxing the crystal stress during epitaxial growth, so that an epitaxial film with good crystallinity can be formed.

例えば、請求項5に示されるように、ダメージ除去工程では、Pを雰囲気圧力(Pa)、Tを基板温度(℃)、aを4.16×10、bを2.54×10とした場合に、P×1.33×10≧a/T−bの関係を満たす条件でダメージ除去が行われる。 For example, as shown in claim 5, in the damage removing step, P is an atmospheric pressure (Pa), T is a substrate temperature (° C.), a is 4.16 × 10 6 , and b is 2.54 × 10 4 . In this case, damage removal is performed under the condition satisfying the relationship of P × 1.33 × 10 2 ≧ a / T−b.

なお、請求項6に示されるように、ダメージ除去工程を1700℃以下で行うのが好ましい。これは、1700℃を超えると基板表面でステップバンチングが発生する可能性があるためであり、1700℃以下とすれば、ステップバンチングの発生を防止することができる。   In addition, as shown in Claim 6, it is preferable to perform a damage removal process at 1700 degrees C or less. This is because if the temperature exceeds 1700 ° C., step bunching may occur on the substrate surface. If the temperature is 1700 ° C. or lower, the occurrence of step bunching can be prevented.

請求項7に記載の発明では、ダメージ除去工程では、炭化水素を含む水素雰囲気での熱処理によりダメージ除去を行うことを特徴としている。このように、炭化水素を添加することにより、炭化珪素結晶中の炭素原子のエッチングが抑制され、全体としてエッチングレートが低下し、エッチング反応は、さらに気相拡散律速側にシフトする。したがって、このように炭化水素を含む水素雰囲気中で熱処理を行うようにすれば、水素のみの雰囲気に比べ容易にトレンチ(6、47)の角部の丸形状が実現できる。   The invention according to claim 7 is characterized in that in the damage removing step, the damage is removed by heat treatment in a hydrogen atmosphere containing hydrocarbons. Thus, by adding hydrocarbon, etching of carbon atoms in the silicon carbide crystal is suppressed, the etching rate is lowered as a whole, and the etching reaction is further shifted to the gas phase diffusion rate controlling side. Therefore, if heat treatment is performed in a hydrogen atmosphere containing hydrocarbons as described above, the round shape of the corners of the trenches (6, 47) can be easily realized as compared with an atmosphere containing only hydrogen.

請求項8に記載の発明では、ダメージ除去工程では、不活性ガスを含む水素雰囲気での熱処理によりダメージ除去を行うことを特徴としている。雰囲気圧力が変わらない場合、Ar等の不活性ガスの添加は、水素の濃度を相対的に低減する。そのため、反応生成物の拡散効果については変化しないが、エッチングレートが低下し、炭化水素と同様に気相拡散律速側にシフトする。従って、Ar等の不活性ガスの添加においても、水素のみの雰囲気に比べ容易にトレンチ(6、47)の角部の丸形状が実現できる。   The invention according to claim 8 is characterized in that in the damage removing step, the damage is removed by heat treatment in a hydrogen atmosphere containing an inert gas. If the atmospheric pressure does not change, the addition of an inert gas such as Ar will relatively reduce the hydrogen concentration. Therefore, although the diffusion effect of the reaction product is not changed, the etching rate is lowered and is shifted to the gas phase diffusion rate controlling side like the hydrocarbon. Therefore, even when an inert gas such as Ar is added, the round shape of the corners of the trenches (6, 47) can be easily realized as compared with an atmosphere containing only hydrogen.

請求項9に記載の発明では、ダメージ除去工程の後に実施される埋め込み層形成工程において、トレンチパターン間で非トレンチ平面部が発生しないようにトレンチパターン間距離を小さくすることを特徴としている。   The invention according to claim 9 is characterized in that, in the buried layer forming step performed after the damage removing step, the distance between the trench patterns is reduced so that a non-trench flat portion is not generated between the trench patterns.

このようにトレンチパターン間距離を設定することにより、最も成長レートの大きいSi面の成長がなくなり、非トレンチ部は、a面エッチングの影響を側面から受けて成長レートが低下する。すなわち、成長レートとして、トレンチ上部側面、トレンチ下部側面、非トレンチ部、トレンチ底部の順で大きくなり、初期段階でオーバーハング状態になったり、最終段階で空洞の発生もなくなる。さらに非トレンチ部に比較してトレンチ内部の成長レートを高めることができる。   By setting the distance between the trench patterns in this manner, the growth of the Si surface having the largest growth rate is eliminated, and the growth rate of the non-trench portion is affected by the a-plane etching from the side surface and the growth rate is lowered. That is, the growth rate increases in the order of the upper side surface of the trench, the lower side surface of the trench, the non-trench portion, and the bottom portion of the trench, and an overhang state is generated in the initial stage and no void is generated in the final stage. Furthermore, the growth rate inside the trench can be increased as compared with the non-trench portion.

具体的には、トレンチパターン間距離としては、請求項10に記載されているようにトレンチ幅以下が望ましい。   Specifically, the distance between trench patterns is preferably equal to or less than the trench width as described in claim 10.

請求項11に記載の発明では、ダメージ除去工程の後において、エピタキシャル成長法によりトレンチ(6、47)内にエピタキシャル層(7、48)を1500℃以上で形成することを特徴としている。   The invention described in claim 11 is characterized in that, after the damage removing step, the epitaxial layer (7, 48) is formed in the trench (6, 47) at 1500 ° C. or higher by the epitaxial growth method.

このような低温領域のエピタキシャル成長でも、エッチング量とデポジション量が均衡するように、原料ガス供給量を制限し、成長レートを低減しておけば、成長レートとしては、トレンチ側面、非トレンチ部、トレンチ底面と順に大きくなる成長形態が実現される。また同時に、側面においても上部に比べ下部の成長レートが大きくできるため、いわゆるオーバーハング形状が抑制される。   Even in such epitaxial growth in a low temperature region, if the raw material gas supply amount is limited and the growth rate is reduced so that the etching amount and the deposition amount are balanced, as the growth rate, the trench side, the non-trench portion, A growth pattern that increases in order from the bottom of the trench is realized. At the same time, the growth rate of the lower part can be increased on the side surface compared to the upper part, so that the so-called overhang shape is suppressed.

尚、請求項12に記載のように、エピタキシャル層(7、48)の形成温度を1550℃以上とすれば、エッチングとデポジションが共に活性化され、成長レートを全体的に増加させることができる。   As described in claim 12, if the formation temperature of the epitaxial layers (7, 48) is 1550 ° C. or higher, both etching and deposition are activated, and the growth rate can be increased overall. .

さらに、請求項13に記載のように、エピタキシャル層(7、48)の形成温度を1625℃以上とすれば、トレンチ内部の成長レートを2.5μm/h程度に高めてもオーバーハング形状とならないため、短時間で空洞のない埋め込み層が形成できる。   Furthermore, as described in claim 13, if the formation temperature of the epitaxial layers (7, 48) is set to 1625 ° C. or higher, the overhang shape does not occur even if the growth rate inside the trench is increased to about 2.5 μm / h. Therefore, a buried layer without a cavity can be formed in a short time.

請求項14に記載の発明では、ダメージ除去工程とエピタキシャル層(7、48)の形成工程とを、同一の装置を用いて連続して行うことを特徴としている。   The invention described in claim 14 is characterized in that the damage removing step and the epitaxial layer (7, 48) forming step are continuously performed using the same apparatus.

このように、ダメージ除去工程とエピタキシャル薄膜形成工程とを同一装置で行うことで、半導体基板を大気中に曝させないようにでき、基板表面への汚染物の付着を低減できる。しかも、基板加熱における昇降温時間を省略することが可能となるため、半導体装置製造のスループットを向上させることが可能となる。   In this way, by performing the damage removing step and the epitaxial thin film forming step with the same apparatus, the semiconductor substrate can be prevented from being exposed to the atmosphere, and the adhesion of contaminants to the substrate surface can be reduced. In addition, since the temperature raising / lowering time in the substrate heating can be omitted, it is possible to improve the throughput of manufacturing the semiconductor device.

請求項15に記載の発明では、エピタキシャル層形成工程では、気相拡散律速によってエピタキシャル成長が行われ、エピタキシャル層(7、48)の角部が丸くなるようにすることを特徴としている。   The invention according to claim 15 is characterized in that, in the epitaxial layer forming step, epitaxial growth is performed by vapor phase diffusion control, so that corners of the epitaxial layers (7, 48) are rounded.

このように、気相拡散律速で複数のファセット面がない丸形状となるようにエピタキシャル層(7、48)を形成すれば、エピタキシャル成長時の結晶応力を分散して緩和する効果を有するため、結晶性の良好なエピタキシャル膜の形成を可能にできる
請求項16に記載の発明では、エピタキシャル層形成工程では、成長レート2.5μm/h以下であることを特徴としている。
As described above, if the epitaxial layers (7, 48) are formed so as to have a round shape without a plurality of facet surfaces by gas phase diffusion control, the crystal stress during epitaxial growth can be dispersed and relaxed. The invention according to claim 16 is characterized in that the growth rate is 2.5 μm / h or less in the epitaxial layer forming step.

このような成長レートとすれば、エピタキシャル層形成が気相拡散律速で行われ、複数のファセット面が出現することを防止することができる。   With such a growth rate, it is possible to prevent the appearance of a plurality of facet surfaces by forming the epitaxial layer at a vapor phase diffusion-controlled rate.

請求項17に記載の発明では、エピタキシャル層形成工程を1700℃以下で行うことを特徴としている。これにより、請求項6と同様の効果を得ることができる。   The invention according to claim 17 is characterized in that the epitaxial layer forming step is performed at 1700 ° C. or lower. Thereby, the same effect as that of the sixth aspect can be obtained.

請求項18に記載の発明では、エピタキシャル層形成工程では、原料ガス、キャリアガスの他にエッチング作用を有するガスを含有させてエピタキシャル成長を行うことを特徴としている。   The invention according to claim 18 is characterized in that, in the epitaxial layer forming step, epitaxial growth is performed by containing a gas having an etching action in addition to the source gas and the carrier gas.

このようなエッチング作用を有するガスを導入することにより、比較的低温でエピタキシャル成長を行ってもエッチング作用とデポジション作用が均衡する状態を作り出すことが可能となり、a面のエッチングレートをSi面より大きくすることが可能となり、非トレンチ部に比較してトレンチ内部の成長レートをも高めることができる。例えば、このようなエッチング作用を有するガスとしては、請求項19に示されるように、塩化水素ガスを用いることができる。   By introducing such an etching gas, it is possible to create a state where the etching and deposition functions are balanced even when epitaxial growth is performed at a relatively low temperature, and the a-plane etching rate is larger than that of the Si surface. It is possible to increase the growth rate inside the trench compared to the non-trench portion. For example, as the gas having such an etching action, hydrogen chloride gas can be used as shown in claim 19.

請求項20に記載の発明では、エピタキシャル層形成工程では、エピタキシャル初期段階と最終段階で不純物濃度が異なるよう濃度制御を行うことを特徴としている。例えば、請求項21に示されるように、初期段階に比べ最終段階で不純物濃度が大きくなるよう制御される。   The invention according to claim 20 is characterized in that, in the epitaxial layer forming step, the concentration control is performed so that the impurity concentration differs between the initial epitaxial stage and the final stage. For example, as shown in claim 21, the impurity concentration is controlled to be higher in the final stage than in the initial stage.

このような不純物濃度制御を行うことにより、PN接合界面を形成する成長初期層では、比較的不純物濃度が低くなるため結晶歪が小さく、結晶性が良好でリーク電流の少ないPN接合が形成できる。一方、最終段階にかけては、不純物濃度を高く設定して埋め込み層のシート抵抗を低く、また、電極とのコンタクト抵抗を小さくする。こうして、パワーデバイスのスイッチング速度を小さくすることができる。   By performing such impurity concentration control, in the initial growth layer forming the PN junction interface, the impurity concentration is relatively low, so that a crystal strain is small, crystallinity is good, and a leakage current is small. On the other hand, in the final stage, the impurity concentration is set high to lower the sheet resistance of the buried layer, and the contact resistance with the electrode is reduced. Thus, the switching speed of the power device can be reduced.

請求項22に記載の発明では、トレンチ形成工程では、トレンチ(6、47)の表面パターンが半導体基板(20、45)のオフ方向に平行なストライプ形状となるようにすることを特徴としている。   The invention according to claim 22 is characterized in that, in the trench forming step, the surface pattern of the trench (6, 47) is formed in a stripe shape parallel to the off direction of the semiconductor substrate (20, 45).

このように、トレンチパターンが基板のオフ方向に平行なストライプになるようにすれば、トレンチ両側面に形成されるエピタキシャル膜は、形状および不純物プロファイルが完全に対称的となり、半導体装置の閾値電圧等の電気特性が均一化できる。さらに、トレンチ上部角部から発生するC面ファセット面の形成を防止することもできる。このため、オンオフ性能の優れた素子が実現できる。   As described above, if the trench pattern is a stripe parallel to the off-direction of the substrate, the epitaxial film formed on both side surfaces of the trench becomes completely symmetrical in shape and impurity profile, and the threshold voltage of the semiconductor device, etc. The electrical characteristics can be made uniform. Furthermore, it is possible to prevent the formation of a C-faceted facet generated from the upper corner of the trench. Therefore, an element with excellent on / off performance can be realized.

請求項23に記載の発明では、トレンチ形成工程では、トレンチ(6、47)の表面パターンは、内角が等しい六角形状となるようにすることを特徴としている。   The invention as set forth in claim 23 is characterized in that, in the trench forming step, the surface pattern of the trenches (6, 47) has a hexagonal shape with the same internal angle.

このようなパターンとすれば、トレンチ側面に形成されるエピタキシャル膜は、形状および不純物濃度プロファイルがほぼ等しいものとなる。従って、トランジスタのチャネル幅密度を最大化することができ、しかもストライプ形状と同様にオンオフ特性の優れた半導体装置を提供することができる。   With such a pattern, the epitaxial film formed on the side surface of the trench has substantially the same shape and impurity concentration profile. Therefore, the channel width density of the transistor can be maximized, and a semiconductor device having excellent on / off characteristics like the stripe shape can be provided.

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。   In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals in the drawings.

(第1実施形態)
図1に、本発明の第1実施形態における炭化珪素半導体装置に備えられるJ−FETの断面構成を示す。以下、図1に基づきJ−FETの構成について説明する。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a cross-sectional configuration of a J-FET provided in the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. Hereinafter, the configuration of the J-FET will be described with reference to FIG.

図1に示すように、例えば1×1019cm−3以上の高い不純物濃度とされた炭化珪素(0001)Si面のN型基板1が用いられ、このN型基板1の主表面上に、例えば1×1015〜5×1016cm−3の低い不純物濃度とされたN型ドリフト層2が形成されている。また、N型ドリフト層2の表面にはP型層からなる第1ゲート領域3がエピタキシャル成長されている。この第1ゲート領域3は、例えば5×1017〜5×1019cm−3の高い不純物濃度とされている。 As shown in FIG. 1, for example, an N + type substrate 1 having a silicon carbide (0001) Si surface having a high impurity concentration of 1 × 10 19 cm −3 or higher is used, and on the main surface of the N + type substrate 1. In addition, an N type drift layer 2 having a low impurity concentration of, for example, 1 × 10 15 to 5 × 10 16 cm −3 is formed. A first gate region 3 made of a P + type layer is epitaxially grown on the surface of the N type drift layer 2. The first gate region 3 has a high impurity concentration of, for example, 5 × 10 17 to 5 × 10 19 cm −3 .

さらに、第1ゲート領域3の表面には、N型領域4がエピタキシャル成長され、また、N型領域4の表面には、例えば1×1018〜5×1019cm−3の高い不純物濃度とされたN型ソース領域5がエピタキシャル成長されている。N型領域4は、N型ソース領域5とP型の第1ゲート領域3との間に挟まれることで、高濃度なPNジャンクション間の電界緩和を行うものである。以下、N型領域4を電界緩和領域(第1の電界緩和領域)という。この電界緩和領域4の厚さは例えば0.5μm以下とされ、その不純物濃度はN型ソース領域5よりも低くされている。 Further, the N type region 4 is epitaxially grown on the surface of the first gate region 3, and the high impurity concentration of 1 × 10 18 to 5 × 10 19 cm −3 is formed on the surface of the N type region 4, for example. The N + type source region 5 is epitaxially grown. The N -type region 4 is sandwiched between the N + -type source region 5 and the P + -type first gate region 3, thereby performing electric field relaxation between high-concentration PN junctions. Hereinafter, the N -type region 4 is referred to as an electric field relaxation region (first electric field relaxation region). The thickness of the electric field relaxation region 4 is, for example, 0.5 μm or less, and the impurity concentration thereof is lower than that of the N + type source region 5.

また、N型ソース領域5の表面から、N型ソース領域5、電界緩和領域4および第1ゲート領域3を貫通し、N型ドリフト領域2に達するトレンチ6が形成されている。このトレンチ6の内壁にはN型ドリフト領域2とほぼ同等の不純物濃度とされたN型チャネル層7がエピタキシャル成長されており、このN型チャネル層7の表面にはトレンチ6を埋め込むように、第1ゲート領域3とほぼ同等の不純物濃度とされたP型の第2ゲート領域8がエピタキシャル成長されている。これらN型チャネル層7と第2ゲート領域8の表面は、N型ソース領域5の表面と同一面となっている。 Further, the surface of the N + -type source region 5, the N + -type source region 5, through the electric-field relaxation region 4 and the first gate region 3, N - trench 6 to reach the type drift region 2 is formed. An N type channel layer 7 having an impurity concentration substantially equal to that of the N type drift region 2 is epitaxially grown on the inner wall of the trench 6, and the trench 6 is embedded in the surface of the N type channel layer 7. In addition, a P + -type second gate region 8 having an impurity concentration substantially equal to that of the first gate region 3 is epitaxially grown. The surfaces of the N type channel layer 7 and the second gate region 8 are flush with the surface of the N + type source region 5.

第2ゲート領域8の表面には、第2ゲート電極9が電気的に接続されており、この第2ゲート電極9を覆うように層間絶縁膜10が形成されている。また、層間絶縁膜10に形成されたコンタクトホールを介してN型ソース領域5と電気的に接続されたソース電極11が形成されている。 A second gate electrode 9 is electrically connected to the surface of the second gate region 8, and an interlayer insulating film 10 is formed so as to cover the second gate electrode 9. A source electrode 11 electrically connected to the N + type source region 5 through a contact hole formed in the interlayer insulating film 10 is formed.

また、図1とは別断面において、第1ゲート領域3も第1ゲート電極12と電気的に接続され、第1ゲート電極12を介して第1ゲート領域3への印加電圧を制御できるようになっている。そして、N型基板1の裏面側にはドレイン電極13が形成され、図1に示す構造が構成されている。 Further, in a cross section different from FIG. 1, the first gate region 3 is also electrically connected to the first gate electrode 12 so that the voltage applied to the first gate region 3 can be controlled via the first gate electrode 12. It has become. Then, a drain electrode 13 is formed on the back surface side of the N + type substrate 1 to configure the structure shown in FIG.

このように構成されたJ−FETはノーマリオフで作動する。この作動は、第1ゲート電極12および第2ゲート電極9の接続態様によって異なっており、以下のように行われる。   The J-FET configured in this way operates normally off. This operation differs depending on the connection mode of the first gate electrode 12 and the second gate electrode 9, and is performed as follows.

第1、第2ゲート電極12、9との電位が制御可能な態様の場合には、第1、第2ゲート電極12、9の電位に基づいて第1、第2ゲート領域3、8の双方からN型チャネル層7側に延びる空乏層の延び量を制御するダブルゲート駆動が行われる。例えば、第1、第2ゲート電極12、9に電圧を印加していない時には、N型チャネル層7が第1、第2ゲート領域3、8の双方から延びる空乏層によってピンチオフされる。これにより、ソース−ドレイン間の電流がオフされる。そして、第1、第2ゲート領域3、8とN型チャネル層7との間に順バイアスをかけると、N型チャネル層7に延びる空乏層の延び量が縮小される。これにより、チャネルが設定されて、ソース−ドレイン間に電流が流される。 In the case where the potentials of the first and second gate electrodes 12 and 9 are controllable, both the first and second gate regions 3 and 8 are based on the potentials of the first and second gate electrodes 12 and 9. Double gate drive is performed to control the extension amount of the depletion layer extending from to the N type channel layer 7 side. For example, when no voltage is applied to the first and second gate electrodes 12 and 9, the N -type channel layer 7 is pinched off by a depletion layer extending from both the first and second gate regions 3 and 8. Thereby, the source-drain current is turned off. When a forward bias is applied between the first and second gate regions 3 and 8 and the N -type channel layer 7, the extension amount of the depletion layer extending to the N -type channel layer 7 is reduced. Thereby, a channel is set and a current flows between the source and the drain.

第1ゲート電極12の電位のみが独立して制御可能で、第2ゲート電極9の電位が例えばソース電極11と同電位とされる態様の場合には、第1ゲート電極12の電位に基づいて第1ゲート領域3側からN型チャネル層7側に延びる空乏層の延び量を制御するシングルゲート駆動が行われる。この場合にも基本的にはダブルゲート駆動の場合と同様の作動を行うが、チャネルの設定が第1ゲート領域3側から延びる空乏層のみによって行われることになる。 In the case where only the potential of the first gate electrode 12 can be controlled independently and the potential of the second gate electrode 9 is set to the same potential as the source electrode 11, for example, based on the potential of the first gate electrode 12. Single gate driving for controlling the amount of extension of the depletion layer extending from the first gate region 3 side to the N -type channel layer 7 side is performed. In this case as well, basically the same operation as in the case of the double gate drive is performed, but the channel is set only by the depletion layer extending from the first gate region 3 side.

第2ゲート電極9の電位のみが独立して制御可能で、第1ゲート電極12の電位が例えばソース電極11と同電位とされる態様の場合には、第2ゲート電極9の電位に基づいて第2ゲート領域8側からN型チャネル層7側に延びる空乏層の延び量を制御するシングルゲート駆動が行われる。この場合にも基本的にはダブルゲート駆動の場合と同様の作動を行うが、チャネルの設定が第2ゲート領域8側から延びる空乏層のみによって行われることになる。 In the case where only the potential of the second gate electrode 9 can be controlled independently and the potential of the first gate electrode 12 is the same potential as that of the source electrode 11, for example, based on the potential of the second gate electrode 9. Single gate drive is performed to control the amount of depletion layer extending from the second gate region 8 side to the N -type channel layer 7 side. In this case as well, basically the same operation as in the case of the double gate drive is performed, but the channel is set only by the depletion layer extending from the second gate region 8 side.

次に、図1に示す炭化珪素半導体装置の製造方法について、図2に示す炭化珪素半導体装置の製造工程を参照して説明する。   Next, a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device shown in FIG. 1 will be described with reference to the manufacturing steps of the silicon carbide semiconductor device shown in FIG.

〔図2(a)に示す工程〕
まず、炭化珪素(0001)Si面のN型基板1を用意する。このような面方位の基板を用いると、例えばトレンチ6の傾斜角が90度でなくても、トレンチ側面表面に存在するカーボン原子とシリコン原子の割合をほぼ同じとすることが可能となる。そのため、半導体装置のパラメータ設計を容易にすることが可能となる。
[Step shown in FIG. 2 (a)]
First, an N + type substrate 1 having a silicon carbide (0001) Si surface is prepared. When a substrate having such a plane orientation is used, for example, even if the inclination angle of the trench 6 is not 90 degrees, the ratio of carbon atoms and silicon atoms existing on the side surface of the trench can be made substantially the same. Therefore, parameter design of the semiconductor device can be facilitated.

そして、このような面方位を有するN型基板1の上に、エピタキシャル膜からなるN型ドリフト層2、P型の第1ゲート領域3、N型領域4、N型ソース領域5を順次積層した炭化珪素からなる半導体基板20を用意し、その上面にトレンチエッチング用マスクとなるLTO膜(酸化膜)21を成膜した後、フォトリソグラフィによりパターニングする。パターンとしては、その開口部分の長手方向が基板のオフ方向と平行になるストライプパターンとし、開口部分の幅(トレンチ幅)が例えば2μm、トレンチパターン間距離が例えば1.5μmとなるように設定する。 An N type drift layer 2 made of an epitaxial film, a P + type first gate region 3, an N type region 4, and an N + type source region are formed on the N + type substrate 1 having such a plane orientation. A semiconductor substrate 20 made of silicon carbide in which 5 is sequentially stacked is prepared, and an LTO film (oxide film) 21 serving as a trench etching mask is formed on the upper surface of the semiconductor substrate 20, and then patterned by photolithography. The pattern is a stripe pattern in which the longitudinal direction of the opening is parallel to the off direction of the substrate, and the width of the opening (trench width) is set to 2 μm, for example, and the distance between the trench patterns is set to 1.5 μm, for example. .

このようなオフ方向と平行になるストライプパターンとすれば、結晶面方位の点から両側面の結晶面が完全に対称的になる。さらに、後述するエピタキシャル成長時に、トレンチ上部の角部から発生するC面ファセットの形成を防止することも可能となる。そのため、トレンチ両側面に形成されるエピタキシャル膜が形状および不純物プロファイルにおいて完全に対称的となり、半導体装置のしきい値電圧などの電気特性を均一化できる。また、トレンチ上部にC面ファセットがないことから、半導体装置のリーク電流不良を防止することも可能となる。   With such a stripe pattern parallel to the off direction, the crystal planes on both sides are completely symmetrical from the point of crystal plane orientation. Furthermore, it becomes possible to prevent the formation of C-face facets generated from the corners above the trenches during epitaxial growth described later. Therefore, the epitaxial film formed on both side surfaces of the trench becomes completely symmetrical in shape and impurity profile, and the electrical characteristics such as the threshold voltage of the semiconductor device can be made uniform. In addition, since there is no C-plane facet at the top of the trench, it is possible to prevent a leakage current failure of the semiconductor device.

〔図2(b)に示す工程〕
次に、LTO膜をマスクとしてトレンチ形成のためのドライエッチングを行い、第1ゲート領域3を貫通しN型ドリフト層2に達する傾斜角が80度以上でトレンチ深さが例えば4μm以上、すなわちアスペクト比2以上のトレンチ6を形成する。このとき、ドライエッチングのダメージにより、トレンチ側面には100nm程度、トレンチ底面には10nm程度の表面凹凸が発生する。また、トレンチ側面、底面にはドライエッチングによる変質層が10nm程度の深さまで発生している。
[Step shown in FIG. 2 (b)]
Next, dry etching for trench formation is performed using the LTO film as a mask, the inclination angle reaching the N type drift layer 2 through the first gate region 3 is 80 degrees or more, and the trench depth is 4 μm or more, for example, A trench 6 having an aspect ratio of 2 or more is formed. At this time, due to dry etching damage, surface unevenness of about 100 nm is generated on the side surface of the trench and about 10 nm is generated on the bottom surface of the trench. In addition, an altered layer by dry etching is generated to a depth of about 10 nm on the side and bottom surfaces of the trench.

〔図2(c)に示す工程〕
次に、高温水素雰囲気中でトレンチエッチングのダメージ除去工程を行う。具体的には、このときのダメージ除去工程の条件は、実験結果に基づいて決められている。
[Step shown in FIG. 2 (c)]
Next, a trench etching damage removing step is performed in a high-temperature hydrogen atmosphere. Specifically, the conditions for the damage removal process at this time are determined based on the experimental results.

すなわち、基板温度をTとしたときに、その逆数(1/T)と圧力Pとの関係を調べたところ、図3に示される結果が得られた。この図中、○印は気相拡散律速となる場合、△印は基本的に気相拡散律速であるが僅かに表面反応律速が含まれる場合、×印は表面反応律速となる場合を示している。この図から、気相拡散律速となる場合とそれに表面反応律速が含まれる場合との基板温度と圧力の境界として、実験結果から求められている気相拡散律速となる場合の基板温度と圧力の最大値に直線を引き、その直線を一次式として表したところ、次式の関係を満たせば気相拡散律速になることが判った。   That is, when the relationship between the reciprocal (1 / T) and the pressure P was examined when the substrate temperature was T, the result shown in FIG. 3 was obtained. In this figure, a circle indicates a case where gas phase diffusion is limited, a triangle indicates a case where gas diffusion is basically limited, but a slight amount of surface reaction is included, and a mark X indicates a case where surface reaction is limited. Yes. From this figure, as the boundary between the substrate temperature and the pressure when the gas phase diffusion rate is controlled and when the surface reaction rate is included, the substrate temperature and the pressure when the gas phase diffusion rate is determined from the experimental results. When a straight line was drawn to the maximum value and the straight line was expressed as a linear expression, it was found that if the relationship of the following expression was satisfied, the gas phase diffusion rate was controlled.

(数1)
P×1.33×10≧a/T−b
なお、a、bは定数であり、a=4.16×10、b=2.54×10である。
(Equation 1)
P × 1.33 × 10 2 ≧ a / Tb
Note that a and b are constants, and a = 4.16 × 10 6 and b = 2.54 × 10 4 .

したがって、本実施形態では、1600度以上の減圧下での水素雰囲気、例えば1625℃、2.7×10Pa(200Torr)の高温水素雰囲気中でトレンチエッチングのダメージ除去を5分間程度行っている。 Therefore, in this embodiment, damage removal by trench etching is performed for about 5 minutes in a hydrogen atmosphere under a reduced pressure of 1600 ° C. or more, for example, a high temperature hydrogen atmosphere of 1625 ° C. and 2.7 × 10 4 Pa (200 Torr). .

ただし、このとき、ダメージ除去工程の上限温度を1700℃としている。これは、1700℃を超えると基板表面でステップバンチングが発生する可能性があるためであり、1700℃以下とすれば、ステップバンチングの発生を防止することができる。   However, at this time, the upper limit temperature of the damage removing step is set to 1700 ° C. This is because if the temperature exceeds 1700 ° C., step bunching may occur on the substrate surface. If the temperature is 1700 ° C. or lower, the occurrence of step bunching can be prevented.

このように、ダメージ除去工程を5分間程度行うことにより、トレンチの側面では200nm程度、底面では40nm程度エッチングされ、表面凹凸及び変質層が完全に除去される。   In this way, by performing the damage removing process for about 5 minutes, the side surface of the trench is etched by about 200 nm and the bottom surface is etched by about 40 nm, and the surface unevenness and the altered layer are completely removed.

また、このとき同時にトレンチエッチング用マスクのLTO膜21も完全に除去される。すなわち、トレンチエッチング用マスクとしてLTO膜21を用いているが、半導体グレードの酸化膜は高温水素で容易にエッチングされ、しかも金属等の汚染物が含まれていないという特徴がある。このため、その特徴を生かせば、高温水素を用いたダメージ除去工程と同時にトレンチマスク除去工程が同時に実施できる。これにより、トレンチ形成工程と高温水素を用いたダメージ除去工程間で必要と考えられるトレンチマスク除去工程を省略できる。   At the same time, the LTO film 21 of the trench etching mask is also completely removed. That is, although the LTO film 21 is used as a mask for trench etching, the semiconductor grade oxide film is easily etched with high-temperature hydrogen and does not contain contaminants such as metals. For this reason, if this feature is utilized, the trench mask removal process can be performed simultaneously with the damage removal process using high-temperature hydrogen. Thereby, the trench mask removal process considered necessary between the trench formation process and the damage removal process using high-temperature hydrogen can be omitted.

さらに、このとき、トレンチ側面の表面凹凸も5nm程度まで低減される。このときのエッチング条件では、エッチング反応は気相拡散律速となる。そのため、トレンチ開口部やトレンチ底部といったトレンチ角部は、ファセット面のない丸形状となる。この丸形状により、トレンチ開口部では、次工程のエピタキシャル成長時に、効果的に原料ガスのトレンチ内への侵入を促進することができることから、トレンチ6のアスペクト比が高くされる場合におけるオーバーハング形状の発生を防止できる。このため、後工程でN型チャネル層7とP型の第2ゲート領域8を形成しても、これらによってトレンチ6を空洞がないように埋め込むことが可能となる。一方、トレンチ底部では、エピタキシャル成長時の結晶応力を分散して緩和する効果を有するため、結晶性の良好なエピタキシャル膜の形成を可能にできる。更に、この時トレンチパターン間における平面部(Si面部)長さはエッチングにより1.5μmから1.1μmに減少する。 At this time, the surface irregularities on the side surfaces of the trench are also reduced to about 5 nm. Under the etching conditions at this time, the etching reaction is gas phase diffusion-controlled. Therefore, the corners of the trench, such as the trench opening and the bottom of the trench, have a round shape with no facet. Due to this round shape, intrusion of the source gas into the trench can be effectively promoted in the trench opening at the time of epitaxial growth in the next process. Can be prevented. For this reason, even if the N -type channel layer 7 and the P + -type second gate region 8 are formed in a later step, the trench 6 can be buried without any cavities. On the other hand, the trench bottom has an effect of dispersing and relaxing the crystal stress during epitaxial growth, so that an epitaxial film with good crystallinity can be formed. Further, at this time, the length of the plane portion (Si surface portion) between the trench patterns is reduced from 1.5 μm to 1.1 μm by etching.

〔図2(d)に示す工程〕
次に、ダメージ除去工程を行った装置と同一装置内でエピタキシャル薄膜からなるN型チャネル層7を連続して形成する。このように、ダメージ除去工程とエピタキシャル薄膜形成工程とを同一装置で行うことで、半導体基板を大気中に曝させないようにでき、基板表面への汚染物の付着を低減できる。しかも、基板加熱における昇降温時間を省略することが可能となるため、半導体装置製造のスループットを向上させることが可能となる。
[Step shown in FIG. 2 (d)]
Next, the N -type channel layer 7 made of an epitaxial thin film is continuously formed in the same apparatus as that in which the damage removing step is performed. In this way, by performing the damage removing step and the epitaxial thin film forming step with the same apparatus, the semiconductor substrate can be prevented from being exposed to the atmosphere, and the adhesion of contaminants to the substrate surface can be reduced. In addition, since the temperature raising / lowering time in the substrate heating can be omitted, it is possible to improve the throughput of manufacturing the semiconductor device.

このエピタキシャル成長工程では、1625℃以上の高温水素雰囲気中に原料ガスとなるSiHガスとCガスを導入することによってエピタキシャル成長を行う。そして、N型不純物濃度の制御にはドーピングガスとなるNガスを適宜使用する。また、このときにも、エピタキシャル成長の温度の上限を1700℃とし、ステップバンチングが発生しないようにするのが好ましい。 In this epitaxial growth step, epitaxial growth is performed by introducing SiH 4 gas and C 3 H 8 gas as source gases into a high-temperature hydrogen atmosphere at 1625 ° C. or higher. For controlling the N-type impurity concentration, N 2 gas as a doping gas is appropriately used. Also at this time, it is preferable that the upper limit of the temperature of epitaxial growth is 1700 ° C. so that step bunching does not occur.

そして、成長レートが2.5μm/h以下となるようにガス流量を設定する。このような成長レートとすることで、気相拡散律速反応によってエピタキシャル成長が進み、エピタキシャル成長後にファセット面が出現することを防止することができる。   Then, the gas flow rate is set so that the growth rate is 2.5 μm / h or less. By setting it as such a growth rate, it can prevent that epitaxial growth advances by vapor phase diffusion controlled reaction, and a facet surface appears after epitaxial growth.

このように、エピタキシャル成長反応が気相拡散律速反応となるようにすることで、トレンチ角部底部でも結晶応力歪が少なく結晶性の良好なエピタキシャル膜が形成できる。また、エッチングとデポジションが共に活性化され、エッチング量とデポジション量が均衡するため、側面(a面)のエッチングが促進され、成長レートとしては、トレンチ側面、非トレンチ部、トレンチ底面と順に大きくなる成長形態が実現される。また同時に、側面においても上部に比べ下部の成長レートが大きくできるため、いわゆるオーバーハング形状が抑制される。   In this way, by making the epitaxial growth reaction a gas phase diffusion-controlled reaction, an epitaxial film having a good crystallinity with little crystal stress strain can be formed even at the bottom of the trench corner. In addition, both etching and deposition are activated, and the etching amount and deposition amount are balanced. Therefore, the etching of the side surface (a surface) is promoted, and the growth rate is in order of the trench side surface, the non-trench portion, and the trench bottom surface. A growing form of growth is realized. At the same time, the growth rate of the lower part can be increased on the side surface compared to the upper part, so that the so-called overhang shape is suppressed.

また、トレンチパターンが基板のオフ方向に平行なストライプであるので、トレンチ両側面に形成されるエピタキシャル膜は、形状および不純物プロファイルが完全に対称的となり、半導体装置の閾値電圧等の電気特性が均一化できる。さらに、トレンチ上部角部から発生するC面ファセット面の形成を防止することもできる。このため、オンオフ性能の優れた素子が実現できる。   In addition, since the trench pattern is a stripe parallel to the off direction of the substrate, the epitaxial film formed on both sides of the trench is completely symmetrical in shape and impurity profile, and the electrical characteristics such as the threshold voltage of the semiconductor device are uniform. Can be Furthermore, it is possible to prevent the formation of a C-faceted facet generated from the upper corner of the trench. Therefore, an element with excellent on / off performance can be realized.

〔図2(e)に示す工程〕
次に、埋め込み層としてP型の第2ゲート領域8をN型チャネル層7と同様なエピタキシャル条件で形成する。第2ゲート領域8の形成に際してN型チャネル層7の形成と異なる点は、P型であるためNの代わりにトリメチルアルミを用いる点である。この場合にも、エッチング量とデポジション量が均衡するため、側面(a面)のエッチングが促進される。特に、埋め込みが進んだ段階では、トレンチパターン間における平面部(Si面部)は完全になくなり、更に成長が抑制される。その結果、成長レートとして、トレンチ側面、非トレンチ部、トレンチ底面と順に大きくなる。そして、トレンチ側面においてもトレンチ上部に比べトレンチ下部の成長レートが大きくできるため空洞の発生を防止でき、しかも第2ゲート領域8の形成後のエッチバック工程における除去量をトレンチ深さより少なくすることが可能となる。
[Step shown in FIG. 2 (e)]
Next, a P + -type second gate region 8 is formed under the same epitaxial conditions as the N -type channel layer 7 as a buried layer. The formation of the second gate region 8 differs from the formation of the N -type channel layer 7 in that trimethylaluminum is used instead of N 2 because it is P-type. Also in this case, since the etching amount and the deposition amount are balanced, etching of the side surface (a surface) is promoted. In particular, at the stage where the burying has progressed, the plane portion (Si surface portion) between the trench patterns is completely eliminated, and the growth is further suppressed. As a result, the growth rate increases in the order of the trench side surface, the non-trench portion, and the trench bottom surface. Further, since the growth rate of the lower part of the trench can be increased also on the side surface of the trench compared to the upper part of the trench, the generation of cavities can be prevented, and the removal amount in the etch-back process after the formation of the second gate region 8 can be made smaller than the trench depth. It becomes possible.

さらに、エピタキシャル成長中に、P型濃度を初期段階と最終段階とで不純物濃度が異なるような濃度制御を行うと好ましい。具体的には、初期段階に比べて最終段階の方が不純物濃度が大きくなるようにトリメチルアルミ流量を制御すると、更に素子特性が向上する。例えば、初期段階では5×1018cm−3で0.2μm(側面厚さ)とし、その後1×1020cm−3で埋め込むようにする。そうすると、PN接合界面を形成する成長初期層では、比較的不純物濃度が低くなるため結晶歪が小さく、結晶性が良好でリーク電流の少ないPN接合が形成できる。一方、最終段階にかけては、不純物濃度を高く設定して埋め込み層のシート抵抗を低く、また、電極とのコンタクト抵抗を小さくする。こうして、パワーデバイスのスイッチング速度を小さくすることができる。 Furthermore, it is preferable to control the concentration of the P-type concentration so that the impurity concentration differs between the initial stage and the final stage during epitaxial growth. Specifically, the device characteristics are further improved by controlling the trimethylaluminum flow rate so that the impurity concentration is higher in the final stage than in the initial stage. For example, in the initial stage, 5 × 10 18 cm −3 is set to 0.2 μm (side surface thickness), and thereafter, 1 × 10 20 cm −3 is embedded. Then, in the initial growth layer that forms the PN junction interface, the impurity concentration is relatively low, so that a crystal strain is small, a PN junction with good crystallinity and low leakage current can be formed. On the other hand, in the final stage, the impurity concentration is set high to lower the sheet resistance of the buried layer, and the contact resistance with the electrode is reduced. Thus, the switching speed of the power device can be reduced.

〔図2(f)に示す工程〕
次に、非トレンチ部に形成されたN型チャネル層7とP型の第2ゲート領域8の余分な部分をCMP(Chemical Mechanical Polishing)等によりエッチバックしたのち、電極形成工程などを行い、図1に示すトレンチ型J−FETのN型チャネル層7とP型の第2ゲート領域8を完成させる。この場合、エピタキシャルの成長レートがトレンチ側面、非トレンチ部、トレンチ底面と順に大きくなっているため、エッチバックに必要なエッチング量は、トレンチ深さより小さくすることができ、エッチング量の制御性も良好となる。
[Step shown in FIG. 2 (f)]
Next, after an excess portion of the N type channel layer 7 and the P + type second gate region 8 formed in the non-trench portion is etched back by CMP (Chemical Mechanical Polishing) or the like, an electrode forming process or the like is performed. Then, the N type channel layer 7 and the P + type second gate region 8 of the trench type J-FET shown in FIG. 1 are completed. In this case, since the epitaxial growth rate increases in the order of the trench side surface, non-trench portion, and trench bottom surface, the etching amount required for etch back can be made smaller than the trench depth, and the controllability of the etching amount is also good. It becomes.

以上説明したように、本実施形態では、ドライエッチングによって基板20にアスペクト比2以上、かつ、トレンチ傾斜角80度以上のトレンチ6を形成したのち、ドライエッチング時におけるトレンチ内面のダメージ領域を1600℃以上の減圧水素雰囲気でエッチング除去するようにしている。   As described above, in this embodiment, after the trench 6 having an aspect ratio of 2 or more and a trench inclination angle of 80 degrees or more is formed on the substrate 20 by dry etching, the damaged region on the inner surface of the trench at the time of dry etching is 1600 ° C. Etching is removed in the above-described reduced-pressure hydrogen atmosphere.

従来の炭化珪素単結晶を用いた技術では、トレンチエッチングで発生した表面凹凸や変質層などのいわゆるトレンチエッチングダメージ領域を効果的に除去できるウエットエッチング液、ドライエッチング条件が明らかでなく、また、犠牲酸化においても長時間が必要であった。これに対し、本実施形態で示した方法によれば、高温水素の特性から短時間でダメージ領域除去が可能となる。そして、ダメージが除去されたトレンチ内には、表面凹凸、変質層が残っていないため、変質層から生じる準位が存在しないようにできる。また、表面凹凸も極めて小さくすることができる。   In the conventional technology using silicon carbide single crystal, a wet etching solution that can effectively remove a so-called trench etching damage region such as a surface unevenness or a deteriorated layer generated by trench etching, a dry etching condition is not clear, and sacrificial A long time was also required for oxidation. On the other hand, according to the method shown in this embodiment, the damaged region can be removed in a short time due to the characteristics of high-temperature hydrogen. And since the surface unevenness | corrugation and a deteriorated layer do not remain in the trench from which the damage was removed, the level which arises from a deteriorated layer can be made not to exist. Further, the surface unevenness can be made extremely small.

その結果、後工程でエピタキシャル成長を行ったときに、表面凹凸がきわめて小さいため、表面凹凸が原因となるエピタキシャル層内での準位の発生を防止することができる。そのため、基板20を構成する各層とN型チャネル層7とによるPN接合に関して、リーク電流の少ない接合とすることができる。 As a result, when epitaxial growth is performed in a subsequent process, the surface unevenness is extremely small, so that generation of a level in the epitaxial layer caused by the surface unevenness can be prevented. Therefore, with respect to the PN junction between each layer constituting the substrate 20 and the N -type channel layer 7, a junction with a small leakage current can be achieved.

(第2の実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態とほぼ同様であるため、第1実施形態との相違点を中心に説明する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. Since the present embodiment is substantially the same as the first embodiment, differences from the first embodiment will be mainly described.

図4は、本実施形態における半導体装置の製造工程を示す概略断面図である。第1の実施形態と同様、トレンチ型J−FETのN型チャネル層7とP型の第2ゲート領域8の製造工程を示したものであるが、本実施形態では、選択エピタキシャル用マスクをトランジスタセル部のトレンチ6には形成せず、アライメントキー領域のトレンチのみに適用する。これにより、埋め込みエピタキシャル工程及び、その後のエッチバック工程以降のアライメントを確保する。 FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device in the present embodiment. As in the first embodiment, a manufacturing process of the N type channel layer 7 of the trench type J-FET and the second gate region 8 of the P + type is shown. In this embodiment, the mask for selective epitaxial growth is shown. Is not formed in the trench 6 of the transistor cell portion, but is applied only to the trench of the alignment key region. This ensures alignment after the buried epitaxial step and the subsequent etch-back step.

まず、図4(a)に示すように、トランジスタセル部およびアライメントキー部に、トレンチエッチング用マスクとアライメントキー用マスクとなるLTO膜2を同時に形成する。   First, as shown in FIG. 4A, an LTO film 2 serving as a trench etching mask and an alignment key mask is simultaneously formed in the transistor cell portion and the alignment key portion.

次に、図4(b)に示すように、第1の実施形態と同様な方法で、LTO膜2をマスクにしてトランジスタセル部およびアライメントキー部に、トレンチ6とトレンチ31とを形成する。その後、トレンチエッチング時に残ったLTO膜2を弗酸で完全に除去する。このように、ダメージ除去工程前にLTO膜2を除去しておくことにより、エピタキシャル成長時にエッチングマスク材中に含まれる不純物の影響を完全になくすことができる。   Next, as shown in FIG. 4B, the trench 6 and the trench 31 are formed in the transistor cell portion and the alignment key portion by using the LTO film 2 as a mask by the same method as in the first embodiment. Thereafter, the LTO film 2 remaining during the trench etching is completely removed with hydrofluoric acid. Thus, by removing the LTO film 2 before the damage removing step, the influence of impurities contained in the etching mask material during the epitaxial growth can be completely eliminated.

次に、図4(c)に示すように、少なくともアライメントキー部トレンチ31上にカーボン膜32を形成する。このとき、フォトエッチングなどにより、トランジスタセル部におけるトレンチ6近傍には、カーボン膜32が形成されないようにする。   Next, as shown in FIG. 4C, a carbon film 32 is formed at least on the alignment key part trench 31. At this time, the carbon film 32 is prevented from being formed in the vicinity of the trench 6 in the transistor cell portion by photoetching or the like.

カーボン膜32は、1600℃以上の高温水素雰囲気でも耐エッチング性があることを確認しており、高温水素雰囲気でのダメージ除去工程及び後工程におけるエピタキシャル工程にも連続して用いることができる。このカーボン膜32は、半導体プロセスで一般的に用いられるフォトレジストを非酸化雰囲気で熱処理すれば容易に形成され、エピタキシャル工程後に不要となったカーボン膜を除去する場合には、1000℃程度の温度で短時間熱酸化すれば容易に除去することもできる。   The carbon film 32 has been confirmed to have etching resistance even in a high-temperature hydrogen atmosphere at 1600 ° C. or higher, and can be continuously used in a damage removal process in a high-temperature hydrogen atmosphere and an epitaxial process in a subsequent process. The carbon film 32 is easily formed by heat-treating a photoresist generally used in a semiconductor process in a non-oxidizing atmosphere. When removing a carbon film that is no longer necessary after the epitaxial process, the carbon film 32 has a temperature of about 1000 ° C. And can be easily removed by thermal oxidation for a short time.

次に、図4(d)に示すように、第1の実施形態と同様な方法で、トレンチエッチングのダメージ除去、N型チャネル層7、P型の第2ゲート領域8を形成する。この場合、トランジスタセル部のトレンチ6近傍にはカーボン膜32がないため、第1の実施形態と同様にダメージ除去が行われると共に、トレンチ6の角部の丸め処理などが行われる。一方、アライメントキー部のトレンチ31には、カーボン膜32が形成されているため、トレンチエッチングのダメージ除去は行われず、N型チャネル層7やP型の第2ゲート領域8は形成されない。 Next, as shown in FIG. 4D, the trench etching damage removal, the N -type channel layer 7, and the P + -type second gate region 8 are formed by the same method as in the first embodiment. In this case, since there is no carbon film 32 in the vicinity of the trench 6 in the transistor cell portion, damage removal is performed in the same manner as in the first embodiment, and rounding processing of corner portions of the trench 6 is performed. On the other hand, since the carbon film 32 is formed in the trench 31 of the alignment key portion, damage removal by trench etching is not performed, and the N type channel layer 7 and the P + type second gate region 8 are not formed.

その後、図4(e)に示すように、トレンチ6内以外に形成されたN型チャネル層7やP型の第2ゲート領域8の余分な部分をCMP(Chemical Mechanical Polishing)等によりエッチバックし、アライメントキー部のトレンチ31上に形成したカーボン膜32を熱酸化で除去する。これにより、トランジスタセル部には、図1に示すトランジスタ形状が形成され、アライメントキー部にはフォトマスクのアライメントマークとして必要なパターンとなるトレンチ31が形成される。 Thereafter, as shown in FIG. 4E, the excess portions of the N -type channel layer 7 and the P + -type second gate region 8 formed outside the trench 6 are etched by CMP (Chemical Mechanical Polishing) or the like. Then, the carbon film 32 formed on the trench 31 of the alignment key part is removed by thermal oxidation. As a result, the transistor shape shown in FIG. 1 is formed in the transistor cell portion, and the trench 31 having a pattern necessary as an alignment mark of the photomask is formed in the alignment key portion.

選択マスクとなるカーボン膜32を形成しない場合においては、エピタキシャル成長後、パターン合わせのためのアライメントマークが見えにくくなったり、埋め込み層形成後のエッチバック工程において、アライメントマークが消失してしまう。このため、アライメント用に形成したトレンチ31上に選択マスクとなるカーボン膜32を形成するようにすれば、エピタキシャル成長時の埋め込みを防止し、エピタキシャル成長前後のアライメントを確保することができる。また、選択マスクとなるカーボン膜32を除去した後、エッチバック工程時にアライメント用に形成したトレンチ31の深さを測定しながらエッチバックすることにより、所望のエッチング量に制御することも可能となる。   When the carbon film 32 serving as a selection mask is not formed, the alignment mark for pattern alignment becomes difficult to see after epitaxial growth, or the alignment mark disappears in the etch-back process after forming the buried layer. For this reason, if the carbon film 32 serving as a selection mask is formed on the trench 31 formed for alignment, embedding during epitaxial growth can be prevented, and alignment before and after epitaxial growth can be ensured. It is also possible to control the etching amount to a desired level by removing the carbon film 32 serving as a selection mask and performing etch back while measuring the depth of the trench 31 formed for alignment during the etch back process. .

なお、ここではエッチバック工程の後にカーボン膜除去のための熱酸化工程を行ったが、最終的にパターンとしてアライメントマークが残れば良いため、これら各工程の順序を逆に実施してもよい。   Here, the thermal oxidation process for removing the carbon film is performed after the etch-back process. However, since it is sufficient that the alignment mark is finally left as a pattern, the order of these processes may be reversed.

(第3の実施形態)
次に、本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態とほぼ同様であるため、第1実施形態との相違点を中心に説明する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. Since the present embodiment is substantially the same as the first embodiment, differences from the first embodiment will be mainly described.

本実施形態は、第1の実施形態とエピタキシャル工程での成長条件のみを変更したものであり、原料ガスであるSiH、C、キャリアガスであるHの他に塩化水素等のエッチングガスを混合してエピタキシャル成長を行うようにする。具体的には、基板温度にも依存するが、水素ガス流量の1〜5%程度の塩化水素ガスを混合してエピタキシャル成長を行う。 In the present embodiment, only the growth conditions in the epitaxial process are changed from those in the first embodiment. In addition to SiH 4 , C 3 H 8 as a source gas, and H 2 as a carrier gas, hydrogen chloride or the like is used. Etching gas is mixed for epitaxial growth. Specifically, although depending on the substrate temperature, epitaxial growth is performed by mixing hydrogen chloride gas of about 1 to 5% of the hydrogen gas flow rate.

このようなエッチング作用を有するガスを導入することにより、比較的低温でエピタキシャル成長を行ってもエッチング作用とデポジション作用が均衡する状態を作り出すことが可能となる。この場合も側面(a面)のエッチングが促進され、基板温度が1600℃に達しなくても、1625℃以上のエピタキシャル成長と同様、アスペクト比2以上のトレンチにおいても、N型チャネル層7がオーバーハング状態にならないよう形成できるし、P型の第2ゲート領域8も空洞が発生しないよう形成できる。 By introducing a gas having such an etching action, it is possible to create a state in which the etching action and the deposition action are balanced even when epitaxial growth is performed at a relatively low temperature. Also in this case, the etching of the side surface (a surface) is promoted, and even if the substrate temperature does not reach 1600 ° C., the N -type channel layer 7 is over even in the trench having an aspect ratio of 2 or more as in the case of 1625 ° C. or higher epitaxial growth. The p + -type second gate region 8 can also be formed so as not to generate a cavity.

(第4の実施形態)
次に、本発明の第4実施形態について説明する。半導体装置としてトレンチ型MOSFETのN型チャネル層の形成に本発明の一実施形態を適用したものである。図5は、本実施形態におけるトレンチ型MOSFETの一部断面斜視図である。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. One embodiment of the present invention is applied to the formation of an N type channel layer of a trench MOSFET as a semiconductor device. FIG. 5 is a partial cross-sectional perspective view of the trench MOSFET in the present embodiment.

図5に示されるように、六方晶炭化珪素からなる低抵抗なN型基板41の上に、高抵抗なN型ドリフト層42とP型ベース層43とN型ソース層44が順次積層されている。これらN型基板1、N型ドリフト層42、P型ベース層43およびN型ソース層44により半導体基板45が構成され、その上面を(0001)Si面としている。 As shown in FIG. 5, a high resistance N type drift layer 42, a P + type base layer 43, and an N + type source layer 44 are formed on a low resistance N + type substrate 41 made of hexagonal silicon carbide. They are sequentially stacked. The N + type substrate 1, N type drift layer 42, P + type base layer 43 and N + type source layer 44 constitute a semiconductor substrate 45, whose upper surface is a (0001) Si surface.

型ベース層43内の表層部における所定領域には、N型ソース層44が形成されている。さらに、P型ベース層43内の表層部における所定領域には、低抵抗なP型コンタクト領域46が形成されている。又、N型ソース層44の所定領域にトレンチ47が形成され、このトレンチ47は、N型ソース層44とP型ベース層43を貫通しN型ドリフト層42に達している。トレンチ47は半導体基板45の表面に垂直な側面47aおよび半導体基板45の表面に平行な底面47bを有する。又、トレンチ47の側面47aは略[11−20]方向に延設されている。さらに、トレンチ47の側面47aの平面形状は、各内角が略等しい六角形である。つまり、図5の半導体基板45を上面から見たときに、六角形の6つの辺をS1,S2,S3,S4,S5,S6で示し、辺S1とS2となす角度(内角)、辺S2とS3となす角度(内角)、辺S3とS4となす角度(内角)、辺S4とS5となす角度(内角)、辺S5とS6となす角度(内角)、辺S6とS1となす角度(内角)が略120°となるようにレイアウトされている。 An N + type source layer 44 is formed in a predetermined region of the surface layer portion in the P + type base layer 43. Further, a low resistance P + type contact region 46 is formed in a predetermined region of the surface layer portion in the P + type base layer 43. A trench 47 is formed in a predetermined region of the N + type source layer 44, and this trench 47 penetrates the N + type source layer 44 and the P + type base layer 43 and reaches the N type drift layer 42. The trench 47 has a side surface 47 a perpendicular to the surface of the semiconductor substrate 45 and a bottom surface 47 b parallel to the surface of the semiconductor substrate 45. Further, the side surface 47a of the trench 47 extends substantially in the [11-20] direction. Furthermore, the planar shape of the side surface 47a of the trench 47 is a hexagonal shape with substantially equal inner angles. That is, when the semiconductor substrate 45 of FIG. 5 is viewed from above, the six sides of the hexagon are indicated by S1, S2, S3, S4, S5, and S6, and the angle (inner angle) between the sides S1 and S2 and the side S2 And S3 (inner angle), sides S3 and S4 (inner angle), sides S4 and S5 (inner angle), sides S5 and S6 (inner angle), and sides S6 and S1 (angle) The inner angle is laid out so as to be approximately 120 °.

トレンチ47の側面47aにおけるN型ソース層44とP型ベース層43とN型ドリフト層42の表面には、N型基板1やN型ソース層44よりも不純物濃度が低いN型チャネル層48が延設されている。N型チャネル層48は厚さがおよそ1000〜5000Å程度の薄膜よりなり、N型チャネル層48の結晶型は、P型ベース層43の結晶型と同じであり、例えば、4H−SiCとなっている。なお、ここでは4H−SiCを用いているが、この他にも6H−SiC、3C−SiC等であってもよい。 N having a lower impurity concentration than the N + type substrate 1 or the N + type source layer 44 is formed on the surfaces of the N + type source layer 44, the P + type base layer 43 and the N type drift layer 42 on the side surface 47 a of the trench 47. A -type channel layer 48 is extended. The N type channel layer 48 is a thin film having a thickness of about 1000 to 5000 mm, and the crystal type of the N type channel layer 48 is the same as the crystal type of the P + type base layer 43, for example, 4H—SiC. It has become. In addition, although 4H-SiC is used here, 6H-SiC, 3C-SiC, etc. may be used besides this.

さらに、トレンチ47内でのN型チャネル層48の表面とトレンチ47の底面47bにはゲート絶縁膜49が形成されている。トレンチ47内におけるゲート絶縁膜49の内側には、ゲート電極50が充填されている。ゲート電極50は絶縁膜51にて覆われている。N型ソース層44の表面とP型コンタクト領域46の表面には第1の電極としてのソース電極52が形成されている。N型基板41の裏面には、第2の電極としてのドレイン電極53が形成されている。 Further, a gate insulating film 49 is formed on the surface of the N type channel layer 48 and the bottom surface 47 b of the trench 47 in the trench 47. A gate electrode 50 is filled inside the gate insulating film 49 in the trench 47. The gate electrode 50 is covered with an insulating film 51. A source electrode 52 as a first electrode is formed on the surface of the N + type source layer 44 and the surface of the P + type contact region 46. On the back surface of the N + type substrate 41, a drain electrode 53 as a second electrode is formed.

次に、図5に示すトレンチ型MOSFETの製造方法を、図6に示す製造工程図を参照して説明する。   Next, a method of manufacturing the trench MOSFET shown in FIG. 5 will be described with reference to the manufacturing process diagram shown in FIG.

〔図6(a)に示す工程〕
まず、炭化珪素(0001)Si面のN型基板41の上に、エピタキシャル膜からなるN型ドリフト層42、P型ベース層43、N型ソース層44を順次積層した半導体基板45を用意する。そして、その上面に、第1の実施形態と同様にトレンチエッチング用マスクとしてLTO膜60を順次形成した後、フォトリソグラフィによりパターニングする。パターンとしては図5に示すように<11−20>方向に平行なそれぞれの内角がほぼ等しい六角形状パターンとし、例えばトレンチ幅を2μm、トレンチパターン間距離を2μmとなるように設定する。
[Step shown in FIG. 6A]
First, a semiconductor substrate 45 in which an N type drift layer 42 made of an epitaxial film, a P + type base layer 43, and an N + type source layer 44 are sequentially stacked on an N + type substrate 41 having a silicon carbide (0001) Si surface. Prepare. Then, an LTO film 60 is sequentially formed on the upper surface as a trench etching mask as in the first embodiment, and then patterned by photolithography. As the pattern, as shown in FIG. 5, a hexagonal pattern having substantially equal inner angles parallel to the <11-20> direction is set, for example, so that the trench width is 2 μm and the distance between the trench patterns is 2 μm.

このようなパターンとすれば、トレンチ側面に形成されるエピタキシャル膜は、形状および不純物濃度プロファイルがほぼ等しいものとなる。従って、トランジスタのチャネル幅密度を最大化することができ、しかもストライプ形状と同様にオンオフ特性の優れた半導体装置を提供することができる。   With such a pattern, the epitaxial film formed on the side surface of the trench has substantially the same shape and impurity concentration profile. Therefore, the channel width density of the transistor can be maximized, and a semiconductor device having excellent on / off characteristics like the stripe shape can be provided.

〔図6(b)に示す工程〕
次に、LTO膜60をマスクとしてトレンチ形成のためのドライエッチングを行い、p型ベース層43を貫通しN型ドリフト層42に達する傾斜角が80度以上でトレンチ深さが例えば4μm以上、すなわちアスペクト比2以上のトレンチ47を形成する。このとき、ドライエッチングのダメージにより、トレンチ側面には100nm程度、トレンチ底面には10nm程度の表面凹凸が発生する。また、トレンチ側面、底面にはドライエッチングによる変質層が10nm程度の深さまで発生している。
[Step shown in FIG. 6B]
Next, dry etching for trench formation is performed using the LTO film 60 as a mask, the inclination angle reaching the N type drift layer 42 through the p + type base layer 43 is 80 degrees or more, and the trench depth is, for example, 4 μm or more. That is, the trench 47 having an aspect ratio of 2 or more is formed. At this time, due to dry etching damage, surface unevenness of about 100 nm is generated on the side surface of the trench and about 10 nm is generated on the bottom surface of the trench. In addition, an altered layer by dry etching is generated to a depth of about 10 nm on the side and bottom surfaces of the trench.

〔図6(c)に示す工程〕
次に、第1の実施形態と同様にダメージ除去工程を実施する。このとき、特に、工程の前半では表面反応律速として、工程の後半では気相拡散律速とすれば、トレンチ側面の表面凹凸は、前半の表面反応律速により原子オーダーまで低減され、かつ、後半の気相拡散律速により、トレンチ底部角部はファセット面のない丸形状となるようにすることもできる。
[Step shown in FIG. 6 (c)]
Next, a damage removing step is performed as in the first embodiment. At this time, in particular, if the surface reaction rate is controlled in the first half of the process and the gas phase diffusion rate is controlled in the second half of the process, the surface irregularities on the side surfaces of the trench are reduced to the atomic order by the surface reaction rate control in the first half. By the phase diffusion control, the corners of the bottom of the trench can be round with no facet.

〔図6(d)に示す工程〕
次に、第1の実施形態と同様に、ダメージ除去工程を行った装置と同一装置内でエピタキシャル薄膜からなるN型チャネル層48を連続して形成する。その後、トレンチ47内を酸化膜等で埋め込んだ後、非トレンチ部に形成した余分なN型チャネル層48をCMP(Chemical Mechanical Polishing)等によりエッチバックし、トレンチ47内の酸化膜等を除去する。その後、熱酸化を行い、ゲート絶縁膜49を形成する。
[Step shown in FIG. 6 (d)]
Next, similarly to the first embodiment, an N type channel layer 48 made of an epitaxial thin film is continuously formed in the same apparatus as that in which the damage removing process is performed. Thereafter, the trench 47 is filled with an oxide film or the like, and then the excess N type channel layer 48 formed in the non-trench portion is etched back by CMP (Chemical Mechanical Polishing) or the like to remove the oxide film or the like in the trench 47. To do. Thereafter, thermal oxidation is performed to form a gate insulating film 49.

その後、P型コンタクト領域46の形成工程やソース電極52やドレイン電極53等を形成して図5に示すトレンチ型MOSFETが完成する。 After that, the step of forming the P + -type contact region 46, the source electrode 52, the drain electrode 53, and the like are formed to complete the trench MOSFET shown in FIG.

このように作製したMOSFETは、トレンチ側面の凹凸が原子オーダーで小さくなり、その上に形成したN型チャネル層48及びゲート酸化膜49もチャネル領域でフラットとなる。すなわち、トレンチエッチングのダメージを排除したトレンチ型MOSFETが実現でき、チャネル移動度、ゲート酸化膜寿命が向上したトレンチ型MOSFETを作製できる。 In the MOSFET manufactured in this manner, the irregularities on the side surfaces of the trench are reduced in the atomic order, and the N type channel layer 48 and the gate oxide film 49 formed thereon are also flat in the channel region. That is, a trench MOSFET that eliminates damage due to trench etching can be realized, and a trench MOSFET having improved channel mobility and gate oxide film life can be produced.

(第5実施形態)
次に、本発明の第5実施形態について説明する。本実施形態は、第4実施形態とほぼ同様であるため、第4実施形態との相違点を中心に説明する。
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. Since this embodiment is substantially the same as the fourth embodiment, differences from the fourth embodiment will be mainly described.

本実施形態は、第4実施形態におけるN型チャネル層48の形成工程及び、その後のトレンチ47内への酸化膜等の埋め込み工程、エッチバック工程、埋め込み酸化膜等の除去工程を省いた工程で、反転型のトレンチMOSFETを作製するものである。 In the present embodiment, the step of forming the N -type channel layer 48 in the fourth embodiment and the subsequent step of filling the trench 47 with an oxide film, the etch-back step, and the step of removing the buried oxide film, etc. are omitted. Thus, an inversion type trench MOSFET is manufactured.

このような反転型のトレンチMOSFETを作成する場合、トレンチ47内へのエピタキシャル工程はないが、トレンチ47を形成した後、第5の実施の形態と同様にダメージ除去工程を実施するため、特に、工程の前半では表面反応律速として、工程の後半では気相拡散律速とすれば、トレンチ側面の表面凹凸は、前半の表面反応律速により原子オーダーまで低減されかつ、後半の気相拡散律速により、トレンチ底部角部はファセット面のない丸形状にできる。これにより、簡単な工程でオフ時の耐圧に優れ、かつ、MOS特性の優れたトレンチ型MOSFETを作製できる。   When creating such an inversion-type trench MOSFET, there is no epitaxial process into the trench 47, but after the trench 47 is formed, a damage removing process is performed as in the fifth embodiment. If surface reaction rate control is used in the first half of the process and gas phase diffusion control is used in the second half of the process, the surface irregularities on the side surfaces of the trench are reduced to the atomic order by the surface reaction rate control in the first half, and The bottom corner can be round with no facet. As a result, a trench MOSFET having excellent breakdown voltage at the time of off and excellent MOS characteristics can be manufactured by a simple process.

(他の実施形態)
上記各実施形態に示したダメージ除去工程を、炭化水素を含む水素雰囲気中での熱処理によって行うようにしても良い。
(Other embodiments)
You may make it perform the damage removal process shown to each said embodiment by the heat processing in the hydrogen atmosphere containing a hydrocarbon.

炭化水素の添加により炭化珪素結晶中の炭素原子のエッチングが抑制され、全体としてエッチングレートが低下し、エッチング反応は、さらに気相拡散律速側にシフトする。したがって、このように炭化水素を含む水素雰囲気中で熱処理を行うようにすれば、水素のみの雰囲気に比べ容易に等方性エッチングが実現できる。より具体的には、炭化水素としてCを使用することが望ましい。Cは、比較的分子数が大きいため熱分解が容易で、しかも0℃における蒸気圧が4.8気圧あるため、水素で希釈しておけば液化することがなく、半導体材料ガスとして取り扱いが容易である。 Etching of carbon atoms in the silicon carbide crystal is suppressed by the addition of hydrocarbons, the etching rate is lowered as a whole, and the etching reaction is further shifted to the gas phase diffusion rate controlling side. Therefore, by performing the heat treatment in a hydrogen atmosphere containing hydrocarbon in this way, isotropic etching can be easily realized as compared with a hydrogen-only atmosphere. More specifically, it is desirable to use C 3 H 8 as the hydrocarbon. Since C 3 H 8 has a relatively large number of molecules, it can be easily decomposed, and the vapor pressure at 0 ° C. is 4.8 atm. Therefore, it does not liquefy if diluted with hydrogen. Easy to handle.

さらに、ダメージ除去工程を、Ar等の不活性ガスを含む水素雰囲気での熱処理によって行っても良い。   Further, the damage removing step may be performed by heat treatment in a hydrogen atmosphere containing an inert gas such as Ar.

雰囲気圧力が変わらない場合、Ar等の不活性ガスの添加は、水素の濃度を相対的に低減する。そのため、反応生成物の拡散効果については変化しないが、エッチングレートが低下し、炭化水素と同様に気相拡散律速側にシフトする。従って、Ar等の不活性ガスの添加においても、水素のみの雰囲気に比べ容易に等方性エッチングが実現できる。   If the atmospheric pressure does not change, the addition of an inert gas such as Ar will relatively reduce the hydrogen concentration. Therefore, although the diffusion effect of the reaction product is not changed, the etching rate is lowered and is shifted to the gas phase diffusion rate controlling side like the hydrocarbon. Therefore, even when an inert gas such as Ar is added, isotropic etching can be easily realized as compared with an atmosphere containing only hydrogen.

上記第1実施形態では、図1において単にJ−FETの断面構成を示して説明したが、第4実施形態の図5で示したように、トレンチ6の表面パターンを内角が等しい六角形形状とすることも可能である。これにより、トレンチ側面の面方位がほぼ等しくなり、第2実施形態で示した効果を得ることが可能となる。   In the first embodiment, the cross-sectional configuration of the J-FET is simply shown in FIG. 1 and described. However, as shown in FIG. 5 of the fourth embodiment, the surface pattern of the trench 6 has a hexagonal shape with the same internal angle. It is also possible to do. Thereby, the surface orientations of the trench side surfaces become substantially equal, and the effects shown in the second embodiment can be obtained.

また、炭化珪素からなる半導体基板に対してトレンチを形成したのち、そのトレンチ内にエピタキシャル層を形成するような半導体装置、例えばPNダイオードなどに対しても本発明を適用することが可能である。   The present invention can also be applied to a semiconductor device such as a PN diode in which a trench is formed in a semiconductor substrate made of silicon carbide and then an epitaxial layer is formed in the trench.

さらに、上記各実施形態では、第1導電型をN型とし、第2導電型をP型とする半導体装置を例に挙げて説明したが、これらは単なる例示であり、もちろん、各導電型を反転させたような半導体装置に対しても、本発明を適用することが可能である。   Further, in each of the above embodiments, the semiconductor device in which the first conductivity type is N-type and the second conductivity type is P-type has been described as an example. However, these are merely examples, and of course, each conductivity type is The present invention can also be applied to a semiconductor device that is inverted.

なお、結晶の方位を示す場合、本来ならば所望の数字の上にバー(−)を付すべきであるが、パソコン出願に基づく表現上の制限が存在するため、本明細書においては、所望の数字の前にバーを付すものとする。   In addition, when indicating the orientation of a crystal, a bar (-) should be added to a desired number, but there is a limitation in expression based on a personal computer application. A bar shall be placed in front of the number.

本発明の第1実施形態における半導体装置の断面構成を示す図である。It is a figure showing the section composition of the semiconductor device in a 1st embodiment of the present invention. 図1に示す半導体装置の製造工程を示した図である。FIG. 2 is a diagram showing a manufacturing process of the semiconductor device shown in FIG. 1. 基板温度と圧力の関係に対するエッチング反応の形態を示した図である。It is the figure which showed the form of the etching reaction with respect to the relationship between a substrate temperature and a pressure. 本発明の第3実施形態における半導体装置の製造工程を示した図である。It is the figure which showed the manufacturing process of the semiconductor device in 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態における半導体装置の一部断面斜視図である。It is a partial cross section perspective view of the semiconductor device in 4th Embodiment of this invention. 図5に示す半導体装置の製造工程を示した図である。FIG. 6 is a diagram showing a manufacturing process of the semiconductor device shown in FIG. 5. エピタキシャル層の成長形状の一例を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed an example of the growth shape of the epitaxial layer. (0001)Si面にトレンチを形成し、側面をa面とし、基板温度を高めた場合の予想成長形態の概念図である。It is a conceptual diagram of the expected growth mode when a trench is formed on the (0001) Si surface, the side surface is an a surface, and the substrate temperature is increased. 成長温度と原料ガス供給量(実質的成長レート)を変化させて埋め込み成長を行ったときの埋め込み形状の結果を示した図である。It is the figure which showed the result of the embedding shape when carrying out embedding growth by changing growth temperature and raw material gas supply amount (substantial growth rate). 成長温度1625℃、成長レート約2.5μmの場合の成長形状の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the growth shape in case the growth temperature is 1625 degreeC and the growth rate is about 2.5 micrometers.

符号の説明Explanation of symbols

1、41…N型基板、2、42…N型ドリフト層、3…第1ゲート領域、4…N型領域、5…N型ソース領域、6…トレンチ、7…N型チャネル層、8…第2ゲート領域、9…第2ゲート電極、10…層関絶縁膜、11…ソース電極、12…第1ゲート電極、13…ドレイン電極、20、45…半導体基板、21…LTO膜、31…トレンチ、32…カーボン膜、43…P型ベース層、44…N型ソース層、47…トレンチ、48…N型チャネル層、49…ゲート絶縁膜、60…LTO膜。 1 and 41 ... N + -type substrate, 2,42 ... N - -type drift layer, 3 ... first gate region, 4 ... N - -type region, 5 ... N + -type source region, 6 ... trench, 7 ... N - -type Channel layer, 8 ... second gate region, 9 ... second gate electrode, 10 ... layer insulating film, 11 ... source electrode, 12 ... first gate electrode, 13 ... drain electrode, 20, 45 ... semiconductor substrate, 21 ... LTO film, 31 ... trench, 32 ... carbon film, 43 ... P + -type base layer, 44 ... N + -type source layer, 47 ... trench, 48 ... N - -type channel layer, 49 ... gate insulating film, 60 ... LTO film .

Claims (23)

炭化珪素からなる(0001)Si面の半導体基板(20、45)の上面にトレンチエッチング用マスク(21、60)を形成するトレンチマスク形成工程と、
前記トレンチエッチング用マスク(21、60)を用いたエッチングを行って、前記半導体基板(20、45)にアスペクト比2以上でかつ、トレンチ傾斜角80度以上のトレンチ(6、47)を形成するトレンチ形成工程と、
前記半導体基板(21、60)に形成された前記トレンチ(6、47)の内面のトレンチエッチングダメージ領域を1600℃以上の減圧の水素雰囲気でエッチング除去するダメージ除去工程と、を有することを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
A trench mask forming step of forming a trench etching mask (21, 60) on an upper surface of a semiconductor substrate (20, 45) having a (0001) Si surface made of silicon carbide;
Etching using the trench etching mask (21, 60) is performed to form trenches (6, 47) having an aspect ratio of 2 or more and a trench inclination angle of 80 degrees or more in the semiconductor substrate (20, 45). A trench forming step;
A damage removing step of etching and removing a trench etching damage region on the inner surface of the trench (6, 47) formed in the semiconductor substrate (21, 60) in a hydrogen atmosphere at a reduced pressure of 1600 ° C. or higher. A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device.
前記ダメージ除去工程前において、前記トレンチエッチング用マスク(21、60)を除去するトレンチマスク除去工程を有することを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 2. The method of manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, further comprising a trench mask removing step of removing the trench etching mask (21, 60) before the damage removing step. 3. 前記トレンチマスク除去工程の後において、前記半導体基板(1)の上面における前記トレンチ(6、47)とは異なる領域の一部に選択エピタキシャル用マスク(31)を形成する選択マスク形成工程を有することを特徴とする請求項2に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 After the trench mask removing step, a selective mask forming step of forming a selective epitaxial mask (31) in a part of a region different from the trenches (6, 47) on the upper surface of the semiconductor substrate (1) is provided. A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 2. 前記ダメージ除去工程では、気相拡散律速反応によって前記ダメージ除去を行うことで、前記トレンチ(6、47)の角部を丸くすることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の炭化珪素半導体基板の製造方法。 The said damage removal process WHEREIN: The corner | angular part of the said trench (6, 47) is rounded by performing the said damage removal by a vapor phase diffusion controlled reaction. Of manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate. 前記ダメージ除去工程では、Pを雰囲気圧力(Pa)、Tを基板温度(℃)、aを4.16×10、bを2.54×10とした場合に、P×1.33×10≧a/T−bの関係を満たす条件で前記ダメージ除去を行うことを特徴とする請求項4に記載の炭化珪素半導体基板の製造方法。 In the damage removing step, when P is the atmospheric pressure (Pa), T is the substrate temperature (° C.), a is 4.16 × 10 6 , and b is 2.54 × 10 4 , P × 1.33 × The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor substrate according to claim 4, wherein the damage removal is performed under a condition satisfying a relationship of 10 2 ≧ a / T−b. 前記ダメージ除去工程を1700℃以下で行うことを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the damage removing step is performed at 1700 ° C. or less. 前記ダメージ除去工程では、炭化水素を含む水素雰囲気での熱処理により前記ダメージ除去を行うことを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1つ記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to any one of claims 1 to 6, wherein in the damage removing step, the damage is removed by a heat treatment in a hydrogen atmosphere containing hydrocarbons. 前記ダメージ除去工程では、不活性ガスを含む水素雰囲気での熱処理により前記ダメージ除去を行うことを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 8. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein in the damage removing step, the damage is removed by heat treatment in a hydrogen atmosphere containing an inert gas. 前記トレンチのパターン間の距離は、その後の埋め込み層形成工程でトレンチの間にSi面の平面部がなくなるように、その距離を設定したことを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 9. The distance between the trench patterns is set such that a flat portion of the Si surface is eliminated between the trenches in a subsequent buried layer forming step. A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1. 前記トレンチのパターン間の距離は、トレンチ幅以下であることを特徴とする請求項9に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 9, wherein a distance between the trench patterns is equal to or less than a trench width. 前記ダメージ除去工程の後において、エピタキシャル成長法により前記トレンチ(6、47)内にエピタキシャル層(7、48)を1500℃以上で形成する埋め込み層形成工程を有することを特徴とする請求項1ないし10に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 11. A buried layer forming step of forming an epitaxial layer (7, 48) in the trench (6, 47) at 1500 ° C. or higher by an epitaxial growth method after the damage removing step. A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1. 前記埋め込み層形成工程は、1550℃以上であることを特徴とする請求項11に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 11, wherein the buried layer forming step is 1550 ° C. or higher. 前記埋め込み層形成工程は、1625℃以上であることを特徴とする請求項12に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 12, wherein the buried layer forming step is performed at 1625 ° C. or higher. 前記ダメージ除去工程と前記エピタキシャル層(7、48)の形成工程とを、同一の装置を用いて連続して行うことを特徴とする請求項11ないし13のいずれか1つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The silicon carbide semiconductor according to any one of claims 11 to 13, wherein the damage removing step and the epitaxial layer (7, 48) forming step are continuously performed using the same apparatus. Device manufacturing method. 前記エピタキシャル層形成工程では、気相拡散律速によってエピタキシャル成長が行われ、前記エピタキシャル層(7、48)の角部が丸くなるようにすることを特徴とする請求項11ないし14のいずれか1つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 15. The epitaxial layer forming step according to claim 11, wherein epitaxial growth is performed by vapor phase diffusion rate control so that corners of the epitaxial layer (7, 48) are rounded. The manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device of description. 前記エピタキシャル層形成工程では、成長レート2.5μm/h以下であることを特徴とする請求項15に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 15, wherein the epitaxial layer forming step has a growth rate of 2.5 μm / h or less. 前記エピタキシャル層形成工程を1700℃以下で行うことを特徴とする請求項11ないし16のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 11, wherein the epitaxial layer forming step is performed at 1700 ° C. or lower. 前記エピタキシャル層形成工程では、原料ガス、キャリアガスの他にエッチング作用を有するガスを含有させてエピタキシャル成長を行うことを特徴とする請求項11ないし16のいずれか1つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 17. The silicon carbide semiconductor device according to claim 11, wherein, in the epitaxial layer forming step, epitaxial growth is performed by containing a gas having an etching action in addition to a source gas and a carrier gas. Production method. 前記エッチング作用を有するガスとして、塩化水素ガスを用いることを特徴とする請求項18に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 19. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 18, wherein a hydrogen chloride gas is used as the gas having an etching action. 前記エピタキシャル層形成工程では、エピタキシャル初期段階と最終段階で不純物濃度が異なるよう濃度制御を行うことを特徴とする請求項11ないし19のいずれか1つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 20. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 11, wherein in the epitaxial layer forming step, concentration control is performed so that the impurity concentration is different between an initial epitaxial stage and a final stage. 前記エピタキシャル層形成工程では、初期段階に比べ最終段階で不純物濃度が大きくなるよう制御されたことを特徴とする請求項20に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 21. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 20, wherein in the epitaxial layer forming step, the impurity concentration is controlled to be higher in a final stage than in an initial stage. 前記トレンチ形成工程では、前記トレンチ(6、47)の表面パターンが前記半導体基板(20、45)のオフ方向に平行なストライプ形状となるようにすることを特徴とする請求項1ないし21のいずれかに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 22. The trench forming process according to claim 1, wherein the surface pattern of the trench (6, 47) is formed in a stripe shape parallel to the off direction of the semiconductor substrate (20, 45). A method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to claim 1. 前記トレンチ形成工程では、前記トレンチ(6、47)の表面パターンは、内角が等しい六角形状となるようにすることを特徴とする請求項1または22に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 23. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein, in the trench forming step, the surface pattern of the trench (6, 47) is a hexagonal shape having the same internal angle.
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