JP2012038771A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Toru Hiyoshi
透 日吉
Kenryo Masuda
健良 増田
Keiji Wada
圭司 和田
Hiroshi Shiomi
弘 塩見
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-quality and low-cost semiconductor device and a manufacturing method thereof.SOLUTION: A semiconductor device manufacturing method comprises: a step of preparing a substrate in which a silicon carbide layer such as a withstand voltage layer having a surface substantially including a {0-33-8} face is formed on a principal face; a step (S1) of injecting a conductive impurity into the silicon carbide layer; and a step (S2) of performing heat treatment for activating the injected conductive impurity. In the step of performing the heat treatment, the surface of the silicon carbide layer is exposed to an atmosphere gas for the heat treatment.

Description

この発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、より特定的には、炭化珪素層に形成され所定の結晶面を含む傾斜面を利用した半導体装置およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more specifically to a semiconductor device using an inclined surface formed in a silicon carbide layer and including a predetermined crystal plane, and a manufacturing method thereof.

従来、半導体装置の材料として炭化珪素(SiC)を用いることが提案されている。たとえば、特許文献1(特開2001−68428号公報)では、炭化珪素を利用して半導体素子を形成するため、選択された領域において導電型やキャリア濃度を制御する方法として、イオン注入法を用いることが開示されている。また、特許文献1では、イオン注入後の活性化アニールにおいて、表面荒れが発生することを防止するため、炭化珪素の表面にダイヤモンドライクカーボンなどからなる保護膜を形成した状態で活性化アニールを実施する技術が開示されている。   Conventionally, it has been proposed to use silicon carbide (SiC) as a material for a semiconductor device. For example, in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-68428), since a semiconductor element is formed using silicon carbide, an ion implantation method is used as a method for controlling the conductivity type and the carrier concentration in a selected region. It is disclosed. In Patent Document 1, activation annealing is performed in a state where a protective film made of diamond-like carbon or the like is formed on the surface of silicon carbide in order to prevent surface roughness from occurring in activation annealing after ion implantation. Techniques to do this are disclosed.

特開2001−68428号公報JP 2001-68428 A

特許文献1に開示されているように、炭化珪素においてイオン注入後の活性化アニールでは、アニール温度が比較的高温になることから、高品質の半導体装置を得るためには、保護膜を形成して表面荒れの発生を防止することが必須であると考えられていた。しかし、活性化アニールのためだけに上記保護膜を形成し、また活性化アニール後には当該保護膜を除去するため、炭化珪素半導体装置の製造工程数が増加し、結果的に炭化珪素半導体装置の製造コストが増大する一因となっていた。   As disclosed in Patent Document 1, in activation annealing after ion implantation in silicon carbide, the annealing temperature becomes relatively high. Therefore, in order to obtain a high-quality semiconductor device, a protective film is formed. Therefore, it was considered essential to prevent the occurrence of surface roughness. However, since the protective film is formed only for the activation annealing and the protective film is removed after the activation annealing, the number of manufacturing steps of the silicon carbide semiconductor device is increased. This contributed to an increase in manufacturing costs.

本発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、この発明の目的は、高品質かつ低コストの半導体装置およびその製造方法を提供することである。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a high-quality and low-cost semiconductor device and a manufacturing method thereof.

発明者は、鋭意研究を進めた結果、炭化珪素における実質的に{0−33−8}面(いわゆる半極性面)となっている表面については、イオン注入後の活性化アニールを行なうときに、その表面に保護膜を形成しなくても表面荒れがほとんど発生しないという新たな知見を得た。   As a result of earnest research, the inventor conducted the activation annealing after ion implantation on the surface of silicon carbide which is substantially a {0-33-8} plane (so-called semipolar plane). As a result, the inventors obtained new knowledge that surface roughness hardly occurs even if a protective film is not formed on the surface.

上記のような本発明者の知見に基づく、本発明に従った半導体装置の製造方法は、実質的に{0−33−8}面を含む表面を有する炭化珪素層が主表面上に形成された基板を準備する工程と、炭化珪素層に導電性不純物を注入する工程と、注入された導電性不純物を活性化するための熱処理を行なう工程とを備える。熱処理を行なう工程では、炭化珪素層の表面は熱処理を行なうための雰囲気ガスに露出した状態になっている。ここで、実質的に{0−33−8}面となっている表面とは、当該表面を構成する結晶面が{0−33−8}面となっている場合、および表面を構成する結晶面について、<1−100>方向における{0−33−8}面に対するオフ角が−3°以上3°以下の面となっていることを意味する。なお、「<1−100>方向における{0−33−8}面に対するオフ角」とは、<1−100>方向および<0001>方向の張る平面への上記端面の法線の正射影と、{0−33−8}面の法線とのなす角度であり、その符号は、上記正射影が<1−100>方向に対して平行に近づく場合が正であり、上記正射影が<0001>方向に対して平行に近づく場合が負である。   In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention based on the knowledge of the present inventors as described above, a silicon carbide layer having a surface substantially including a {0-33-8} plane is formed on the main surface. A step of preparing the substrate, a step of injecting conductive impurities into the silicon carbide layer, and a step of performing a heat treatment for activating the injected conductive impurities. In the step of performing the heat treatment, the surface of the silicon carbide layer is exposed to an atmosphere gas for performing the heat treatment. Here, the surface which is substantially the {0-33-8} plane means that the crystal plane constituting the surface is the {0-33-8} plane and the crystal constituting the surface It means that the surface is a surface having an off angle with respect to the {0-33-8} plane in the <1-100> direction of -3 ° or more and 3 ° or less. The “off angle with respect to the {0-33-8} plane in the <1-100> direction” means an orthogonal projection of the normal of the end face to the plane extending in the <1-100> direction and the <0001> direction. , The angle formed with the normal of the {0-33-8} plane, the sign is positive when the orthographic projection approaches parallel to the <1-100> direction, and the orthographic projection is < The case of approaching parallel to the 0001> direction is negative.

このようにすれば、炭化珪素に対するイオン注入後の活性化アニール時に保護膜(キャップ層)を形成する必要が無いため、保護膜を形成する場合より半導体装置の製造工程を簡略化できる。したがって、半導体装置の製造コストを低減することができる。   In this way, since it is not necessary to form a protective film (cap layer) during activation annealing after ion implantation for silicon carbide, the manufacturing process of the semiconductor device can be simplified as compared with the case of forming the protective film. Therefore, the manufacturing cost of the semiconductor device can be reduced.

また、本発明に従った半導体装置は、主表面を有する基板と、当該基板の主表面上に形成され、主表面に対して傾斜した端面を含む炭化珪素層とを備える。端面は実質的に{0−33−8}面を含む。また、端面は導電性不純物の注入領域(イオン注入領域)を含む。   A semiconductor device according to the present invention includes a substrate having a main surface, and a silicon carbide layer formed on the main surface of the substrate and including an end face inclined with respect to the main surface. The end face substantially includes a {0-33-8} plane. The end face includes a conductive impurity implantation region (ion implantation region).

このようにすれば、上記端面に対する導電性不純物の注入を行なった後の活性化アニールでは、とくに保護膜を形成することなく当該活性化アニールを実施できるため、製造コストの抑制された半導体装置を得ることができる。   In this way, in the activation annealing after injecting the conductive impurities to the end face, the activation annealing can be performed without forming a protective film, so that a semiconductor device with reduced manufacturing costs can be obtained. Obtainable.

また、炭化珪素層の端面が実質的に上記{0−33−8}面になっているため、これらのいわゆる半極性面となっている端面をイオン注入領域にすることで、当該イオン注入領域を半導体装置のたとえばチャネル領域(能動領域)として利用することができる。ここで、上記端面は安定な結晶面であって高いチャネル移動度が得られる。そのため、当該端面をイオン注入することにより構成されるチャネル領域に利用した場合、他の結晶面(たとえば(0001)面)をチャネル領域に利用した場合より、高いチャネル移動度を示す高品質の半導体装置を実現できる。また、端面が実質的に{0−33−8}面を含むため、当該端面の結晶方位が当該{0−33−8}面に対してずれた場合のように端面にステップ(段差)が多数存在し、チャネル移動度が低下するといった問題の発生を抑制できる。   In addition, since the end face of the silicon carbide layer is substantially the {0-33-8} plane, by making these end faces that are so-called semipolar planes into an ion implantation area, the ion implantation area Can be used as a channel region (active region) of the semiconductor device, for example. Here, the end face is a stable crystal face, and high channel mobility can be obtained. Therefore, a high-quality semiconductor that exhibits higher channel mobility when used in a channel region configured by ion implantation of the end face than when other crystal planes (for example, (0001) plane) are used as the channel region. A device can be realized. Further, since the end face substantially includes the {0-33-8} plane, a step (step) is formed on the end face as in the case where the crystal orientation of the end face deviates from the {0-33-8} plane. The occurrence of problems such as a large number and a decrease in channel mobility can be suppressed.

本発明によれば、低コストで高品質の半導体装置を得ることができる。   According to the present invention, a high-quality semiconductor device can be obtained at low cost.

本発明による半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。4 is a flowchart for explaining a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention; 本発明による半導体装置の製造方法を具体例を説明するためのフローチャートである。4 is a flowchart for explaining a specific example of a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention. 図2に示した半導体装置の製造方法を用いて製造された本発明による半導体装置の実施の形態1の断面模式図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of Embodiment 1 of a semiconductor device according to the present invention manufactured using the method for manufacturing a semiconductor device shown in FIG. 2. 図2に示した半導体装置の製造方法を用いて製造された本発明による半導体装置の実施の形態1の変形例の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the modification of Embodiment 1 of the semiconductor device by this invention manufactured using the manufacturing method of the semiconductor device shown in FIG. 本発明による半導体装置の実施の形態2を示す平面模式図である。It is a plane schematic diagram which shows Embodiment 2 of the semiconductor device by this invention. 図5の線分VI−VIにおける断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram in line segment VI-VI of FIG. 図5および図6に示した半導体装置の製造方法を説明するための断面模式図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIGS. 5 and 6. 図5および図6に示した半導体装置の製造方法を説明するための断面模式図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIGS. 5 and 6. 図5および図6に示した半導体装置の製造方法を説明するための断面模式図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIGS. 5 and 6. 図5および図6に示した半導体装置の製造方法を説明するための断面模式図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIGS. 5 and 6. 図5および図6に示した半導体装置の製造方法を説明するための断面模式図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIGS. 5 and 6. 図5および図6に示した半導体装置の製造方法を説明するための斜視模式図である。FIG. 7 is a schematic perspective view for illustrating a method for manufacturing the semiconductor device shown in FIGS. 5 and 6. 図5および図6に示した半導体装置の製造方法を説明するための断面模式図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIGS. 5 and 6. 図5および図6に示した半導体装置の製造方法を説明するための断面模式図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIGS. 5 and 6. 図5および図6に示した半導体装置の製造方法を説明するための断面模式図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIGS. 5 and 6. 図5および図6に示した半導体装置の製造方法の変形例を説明するための断面模式図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view for explaining a modification of the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIGS. 5 and 6. 図5および図6に示した半導体装置の製造方法の変形例を説明するための断面模式図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view for explaining a modification of the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIGS. 5 and 6. 本発明による半導体の実施の形態3を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows Embodiment 3 of the semiconductor by this invention. 図18に示した半導体装置の製造方法を説明するための断面模式図である。FIG. 19 is a schematic cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 18. 図18に示した半導体装置の製造方法を説明するための断面模式図である。FIG. 19 is a schematic cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 18. 図18に示した半導体装置の製造方法を説明するための断面模式図である。FIG. 19 is a schematic cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 18. 図18に示した半導体装置の製造方法を説明するための断面模式図である。FIG. 19 is a schematic cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 18. 図18に示した半導体装置の製造方法を説明するための断面模式図である。FIG. 19 is a schematic cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 18. 図18に示した半導体装置の製造方法を説明するための断面模式図である。FIG. 19 is a schematic cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 18. 図18に示した半導体装置の製造方法を説明するための断面模式図である。FIG. 19 is a schematic cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 18. 図18に示した半導体装置の製造方法を説明するための断面模式図である。FIG. 19 is a schematic cross-sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 18. 本発明による半導体装置の参考例を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the reference example of the semiconductor device by this invention. 図27に示した半導体装置の変形例を示す断面模式図である。FIG. 28 is a schematic cross-sectional view showing a modified example of the semiconductor device shown in FIG. 27.

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.

(実施の形態1)
図1を参照して、本発明による半導体装置の製造方法を説明する。
(Embodiment 1)
With reference to FIG. 1, the manufacturing method of the semiconductor device by this invention is demonstrated.

本発明による半導体装置の製造方法では、まず実質的に{0−33−8}面を含む表面を有する炭化珪素層が主表面上に形成された基板を準備する工程を実施する。そして、図1に示すように、当該炭化珪素層に導電性不純物を注入する工程であるイオン注入工程(S1)を実施する。その後、注入された導電性不純物を活性化するための熱処理を行なうアニール工程(S2)を実施する。アニール工程(S2)では、炭化珪素層の{0−33−8}面を含む表面は、熱処理を行なうための雰囲気ガスに露出した状態になっている。つまり、炭化珪素層の表面上には従来のアニール工程において必須であると考えられていた保護膜は形成されていない。   In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, first, a step of preparing a substrate on which a silicon carbide layer having a surface substantially including a {0-33-8} plane is formed on a main surface is performed. Then, as shown in FIG. 1, an ion implantation step (S1), which is a step of implanting conductive impurities into the silicon carbide layer, is performed. Thereafter, an annealing step (S2) for performing a heat treatment for activating the implanted conductive impurities is performed. In the annealing step (S2), the surface including the {0-33-8} plane of the silicon carbide layer is exposed to an atmosphere gas for performing heat treatment. That is, the protective film considered to be essential in the conventional annealing process is not formed on the surface of the silicon carbide layer.

このようにすれば、炭化珪素層に対するイオン注入後の上記アニール工程(S2)を実施するときに、予め保護膜(キャップ層)を形成する必要が無いため、保護膜を形成する場合より半導体装置の製造工程を簡略化できる。したがって、半導体装置の製造コストを低減することができる。   In this case, it is not necessary to form a protective film (cap layer) in advance when performing the annealing step (S2) after ion implantation for the silicon carbide layer. The manufacturing process can be simplified. Therefore, the manufacturing cost of the semiconductor device can be reduced.

ここで、アニール工程(S2)の条件としては、たとえば不活性ガス(アルゴンガス)雰囲気であって大気圧条件、加熱温度1700℃、加熱時間を30分といった条件を用いることができる。表面が{0−33−8}面となった炭化珪素層にたとえばリンイオンを注入した後に、RCA洗浄を行なったあと、キャップ層を形成することなく、上記のようなアニール処理を行なうと、上記表面にはマクロステップ(表面荒れ)がほとんど観察されなかった。なお、上記表面の観察には、たとえば走査型電子顕微鏡(SEM)を用いることができる。   Here, as the conditions for the annealing step (S2), for example, an inert gas (argon gas) atmosphere, an atmospheric pressure condition, a heating temperature of 1700 ° C., and a heating time of 30 minutes can be used. When, for example, phosphorus ions are implanted into the silicon carbide layer whose surface is the {0-33-8} plane, after performing RCA cleaning, the above annealing process is performed without forming a cap layer. Macro steps (surface roughness) were hardly observed on the surface. For example, a scanning electron microscope (SEM) can be used for the observation of the surface.

上述のようなアニール処理を行なう場合、従来のように炭化珪素の表面が(0001)面から所定のオフ角を有する面となっていた場合には、上記アニール処理によって表面荒れが発生するため、アニール処理の前に当該表面を覆う保護膜(たとえばレジスト膜を熱処理してグラファイト化したカーボンキャップ、あるいはカーボンをスパッタ法によって堆積したカーボンキャップ)を形成していた。この保護膜が存在する状態で、上記のような条件のアニール処理を行ない、その後上記保護膜を除去する処理(たとえば酸素雰囲気中での加熱温度900℃、加熱時間30分といった熱処理を行なうことで上記カーボンキャップを除去する処理)を行なっていた。しかし、本発明によれば、従来必要であった保護膜の形成工程および当該保護膜の除去工程を行う必要がない。したがって、本発明によれば、すでに述べたように従来より半導体装置の製造工程を簡略化できる。   When performing the annealing treatment as described above, if the surface of silicon carbide is a surface having a predetermined off angle from the (0001) surface as in the conventional case, surface annealing occurs due to the annealing treatment. Prior to the annealing treatment, a protective film (for example, a carbon cap obtained by graphitizing a resist film by heat treatment or a carbon cap obtained by depositing carbon by a sputtering method) is formed to cover the surface. In the presence of this protective film, annealing is performed under the above conditions, and then the protective film is removed (for example, by performing a heat treatment such as a heating temperature of 900 ° C. in an oxygen atmosphere and a heating time of 30 minutes). The treatment for removing the carbon cap). However, according to the present invention, it is not necessary to perform the protective film forming step and the protective film removing step which are conventionally required. Therefore, according to the present invention, as described above, the manufacturing process of the semiconductor device can be simplified.

上述した半導体装置の製造方法の具体例を、図2および図3を参照しながら説明する。
図2を参照して、図3に示した本実施の形態におけるの半導体装置の製造方法は、縦型の半導体装置である絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)の製造方法であって、まず炭化珪素基板を準備する工程(S10)が実施される。この工程(S10)では、図3を参照して、単結晶炭化珪素からなり導電型がp型である基板1が準備される。この基板1の主表面の結晶面方位は、実質的に{0−33−8}面、好ましくは{0−33−8}面のジャスト面となっている。
A specific example of the semiconductor device manufacturing method described above will be described with reference to FIGS.
Referring to FIG. 2, the method of manufacturing the semiconductor device in the present embodiment shown in FIG. 3 is a method of manufacturing an insulated gate bipolar transistor (IGBT) which is a vertical semiconductor device. A step of preparing a substrate (S10) is performed. In this step (S10), referring to FIG. 3, substrate 1 made of single crystal silicon carbide and having a p-type conductivity is prepared. The crystal plane orientation of the main surface of the substrate 1 is substantially a {0-33-8} plane, preferably a {0-33-8} plane.

次に、エピタキシャル成長工程(S20)が実施される。この工程(S20)では、図3を参照して、エピタキシャル成長により基板1の一方の主表面上に炭化珪素からなり導電型がp型のバッファ層であるp型エピタキシャル層36およびドリフト層である耐圧保持層2が順次形成される。この耐圧保持層2の上部表面の面方位も、実質的に{0−33−8}面となっている。   Next, an epitaxial growth step (S20) is performed. In this step (S20), referring to FIG. 3, a p-type epitaxial layer 36, which is a p-type buffer layer made of silicon carbide on one main surface of substrate 1 by epitaxial growth, and a breakdown voltage which is a drift layer. The holding layer 2 is formed sequentially. The plane orientation of the upper surface of the breakdown voltage holding layer 2 is substantially a {0-33-8} plane.

次に、イオン注入工程(S30)が実施される。この工程(S30)では、図3を参照して、まずウェル領域であるp型ボディ層3を形成するためのイオン注入が実施される。具体的には、たとえばAl(アルミニウム)イオンが耐圧保持層2に注入されることにより、p型ボディ層3が形成される。次に、n型ソースコンタクト層4を形成するためのイオン注入が実施される。具体的には、たとえばP(リン)イオンがp型ボディ層3に注入されることにより、ウェル領域であるp型ボディ層3内にn型ソースコンタクト層4が形成される。さらに、導電型がp型のコンタクト領域5を形成するためのイオン注入が実施される。具体的には、たとえばAlイオンがp型ボディ層3に注入されることにより、p型ボディ層3内にp型のコンタクト領域5が形成される。上記イオン注入は、たとえば耐圧保持層2の主面上に二酸化珪素(SiO)からなり、イオン注入を実施すべき所望の領域に開口を有するマスク層を形成して実施することができる。 Next, an ion implantation step (S30) is performed. In this step (S30), referring to FIG. 3, first, ion implantation for forming p type body layer 3 which is a well region is performed. Specifically, for example, p-type body layer 3 is formed by implanting Al (aluminum) ions into breakdown voltage holding layer 2. Next, ion implantation for forming n-type source contact layer 4 is performed. Specifically, for example, P (phosphorus) ions are implanted into the p-type body layer 3 to form the n-type source contact layer 4 in the p-type body layer 3 that is a well region. Further, ion implantation for forming the contact region 5 having the p-type conductivity is performed. Specifically, for example, Al ions are implanted into the p-type body layer 3 to form the p-type contact region 5 in the p-type body layer 3. The ion implantation can be performed, for example, by forming a mask layer made of silicon dioxide (SiO 2 ) on the main surface of the breakdown voltage holding layer 2 and having an opening in a desired region where ion implantation is to be performed.

次に、活性化アニール工程(S40)が実施される。この工程(S40)では、上記イオン注入が実施された耐圧保持層2を備える基板を、たとえばアルゴンなどの不活性ガス雰囲気中において1700℃に加熱し、30分間保持する熱処理が実施される。これにより、上記工程(S30)において注入された不純物が活性化する。また、この工程(S40)では、上述したイオン注入が行なわれた耐圧保持層2の上部表面上には特に保護膜などは形成されておらず、当該上部表面はアニール雰囲気に露出した状態となっている。そして、耐圧保持層2の表面は実質的に{0−33−8}面となっているため、上記活性化アニールによって表面荒れはほとんど発生しない。   Next, an activation annealing step (S40) is performed. In this step (S40), a heat treatment is performed in which the substrate including the withstand voltage holding layer 2 on which the ion implantation has been performed is heated to 1700 ° C. in an inert gas atmosphere such as argon and held for 30 minutes. Thereby, the impurities implanted in the step (S30) are activated. In this step (S40), no protective film or the like is particularly formed on the upper surface of the breakdown voltage holding layer 2 on which the above-described ion implantation is performed, and the upper surface is exposed to the annealing atmosphere. ing. And since the surface of the pressure | voltage resistant holding | maintenance layer 2 becomes a {0-33-8} surface substantially, surface roughness hardly generate | occur | produces by the said activation annealing.

次に、酸化膜形成工程(S50)が実施される。この工程(S50)では、上記活性化アニール工程を実施した後の耐圧保持層2が形成された基板に対して、たとえば酸素雰囲気中において1300℃に加熱して60分間保持する熱処理が実施されることにより、図3に示す酸化膜(ゲート絶縁膜8)が形成される。   Next, an oxide film forming step (S50) is performed. In this step (S50), for example, a heat treatment is performed on the substrate on which the breakdown voltage holding layer 2 has been formed after the activation annealing step is heated to 1300 ° C. and held for 60 minutes in an oxygen atmosphere. Thus, the oxide film (gate insulating film 8) shown in FIG. 3 is formed.

次に、電極形成工程(S60)が実施される。この工程(S60)では、たとえばCVD法により、不純物が添加されて導電体となっているポリシリコンからなるゲート電極9が形成される。さらに、上記ゲート絶縁膜8において、n型ソースコンタクト層4およびp型のコンタクト領域5上に位置する領域に、図3に示すような開口部11を形成する。当該開口部11の形成方法としては、従来周知の任意の方法を用いることができる。次に、たとえば蒸着法により形成されたニッケル(Ni)膜が加熱されてシリサイド化されることにより、エミッタコンタクト電極(ソース電極12)およびコレクタ電極(ドレイン電極112)が形成される。次に、たとえば蒸着法により、導電体であるAlからなるエミッタ配線(ソース配線電極13)が図3に示すように形成される。以上の手順により、本実施の形態における半導体装置101が完成する。   Next, an electrode formation step (S60) is performed. In this step (S60), gate electrode 9 made of polysilicon which is doped with impurities to form a conductor is formed by, for example, CVD. Further, an opening 11 as shown in FIG. 3 is formed in the gate insulating film 8 in a region located on the n-type source contact layer 4 and the p-type contact region 5. As a method for forming the opening 11, any conventionally known method can be used. Next, for example, a nickel (Ni) film formed by vapor deposition is heated to be silicided, thereby forming an emitter contact electrode (source electrode 12) and a collector electrode (drain electrode 112). Next, an emitter wiring (source wiring electrode 13) made of Al as a conductor is formed as shown in FIG. With the above procedure, the semiconductor device 101 in this embodiment is completed.

上述のような製造方法により形成された本発明による半導体装置101は、縦型の半導体装置である絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)であって、単結晶基板1、バッファ層であるp型エピタキシャル層36、ドリフト層(耐圧保持層2)、p型ボディ層3、n型ソースコンタクト層4、p型のコンタクト領域5、ゲート絶縁膜8、エミッタコンタクト電極(ソース電極12)およびエミッタ配線(ソース配線電極13)、ゲート電極9および基板1の裏面側に形成されたコレクタ電極(ドレイン電極112)を備える。具体的には、導電型がp型の炭化珪素からなる基板1の表面上に、炭化珪素からなるp型エピタキシャル層36が形成されている。p型エピタキシャル層36は導電型がp型であり、その厚みはたとえば0.5μmである。このp型エピタキシャル層36上には耐圧保持層2が形成されている。この耐圧保持層2は、導電型がn型の炭化珪素からなり、たとえばその厚みは10μmである。   A semiconductor device 101 according to the present invention formed by the above manufacturing method is an insulated gate bipolar transistor (IGBT) which is a vertical semiconductor device, and includes a single crystal substrate 1 and a p-type epitaxial layer which is a buffer layer. 36, drift layer (breakdown voltage holding layer 2), p-type body layer 3, n-type source contact layer 4, p-type contact region 5, gate insulating film 8, emitter contact electrode (source electrode 12) and emitter wiring (source wiring) Electrode 13), gate electrode 9 and collector electrode (drain electrode 112) formed on the back side of substrate 1 are provided. Specifically, a p-type epitaxial layer 36 made of silicon carbide is formed on the surface of substrate 1 made of silicon carbide having a p-type conductivity. The p-type epitaxial layer 36 has a p-type conductivity and has a thickness of 0.5 μm, for example. A breakdown voltage holding layer 2 is formed on the p-type epitaxial layer 36. The breakdown voltage holding layer 2 is made of silicon carbide of n-type conductivity, and has a thickness of 10 μm, for example.

この耐圧保持層2の表面には、導電型がp型であるp型ボディ層3が互いに間隔を隔てて形成されている。p型ボディ層3の内部においては、p型ボディ層3の表面層にn型ソースコンタクト層4が形成されている。また、このn型ソースコンタクト層4に隣接する位置には、p型のコンタクト領域5が形成されている。一方のp型ボディ層3におけるn型ソースコンタクト層4上から、p型ボディ層3、2つのp型ボディ層3の間において露出する耐圧保持層2、他方のp型ボディ層3および当該他方のp型ボディ層3におけるn型ソースコンタクト層4上にまで延在するように、酸化膜であるゲート絶縁膜8が形成されている。ゲート絶縁膜8上にはゲート電極9が形成されている。また、n型ソースコンタクト層4およびp型のコンタクト領域5上にはソース電極12が形成されている。このソース電極12上にはソース配線電極13が形成されている。そして、基板1において、p型エピタキシャル層36が形成された側の表面とは反対側の面である裏面にドレイン電極14が形成されている。   A p-type body layer 3 having a p-type conductivity is formed on the surface of the breakdown voltage holding layer 2 at a distance from each other. Inside the p-type body layer 3, an n-type source contact layer 4 is formed on the surface layer of the p-type body layer 3. A p-type contact region 5 is formed at a position adjacent to the n-type source contact layer 4. The p-type body layer 3, the breakdown voltage holding layer 2 exposed between the two p-type body layers 3, the other p-type body layer 3, and the other one from above the n-type source contact layer 4 in one p-type body layer 3 A gate insulating film 8, which is an oxide film, is formed so as to extend onto the n-type source contact layer 4 in the p-type body layer 3. A gate electrode 9 is formed on the gate insulating film 8. A source electrode 12 is formed on the n-type source contact layer 4 and the p-type contact region 5. A source wiring electrode 13 is formed on the source electrode 12. In the substrate 1, the drain electrode 14 is formed on the back surface that is the surface opposite to the surface on which the p-type epitaxial layer 36 is formed.

このように、炭化珪素層である耐圧保持層2の主表面が実質的に{0−33−8}面となっているため、図2に示した活性化アニール工程(S40)では当該耐圧保持層2の表面を被覆する保護膜を形成することなく、アニール処理を行なうことができる。このため、当該保護膜を形成する場合より、製造コストの低減された半導体装置を実現できる。また、上記{0−33−8}面にイオン注入によりチャネル領域が形成されているので、高いチャネル移動度を示す高品質の半導体装置を実現できる。   Thus, since the main surface of the breakdown voltage holding layer 2 that is a silicon carbide layer is substantially a {0-33-8} plane, the breakdown voltage holding is performed in the activation annealing step (S40) shown in FIG. An annealing treatment can be performed without forming a protective film covering the surface of the layer 2. Therefore, it is possible to realize a semiconductor device with a lower manufacturing cost than when the protective film is formed. In addition, since the channel region is formed by ion implantation on the {0-33-8} plane, a high-quality semiconductor device exhibiting high channel mobility can be realized.

また、上述した本発明による半導体装置の製造方法の他の具体例を、図2および図4を参照ながら説明する。なお、図4に示した半導体装置は、本実施の形態における半導体装置の他例であり、縦型DiMOSFET(Double Implanted MOSFET)である。   Another specific example of the above-described method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIGS. Note that the semiconductor device shown in FIG. 4 is another example of the semiconductor device in this embodiment, and is a vertical DiMOSFET (Double Implanted MOSFET).

図2を参照して、図4に示した本実施の形態におけるの半導体装置の製造方法は、縦型の半導体装置である縦型DiMOSFETの製造方法であって、まず炭化珪素基板を準備する工程(S10)が実施される。この工程(S10)では、図4を参照して、単結晶炭化珪素からなりたとえば導電型がn型である基板1が準備される。この基板1の主表面の結晶面方位は、実質的に{0−33−8}面、好ましくは{0−33−8}面のジャスト面となっている。   Referring to FIG. 2, the method for manufacturing the semiconductor device in the present embodiment shown in FIG. 4 is a method for manufacturing a vertical DiMOSFET which is a vertical semiconductor device, and first a step of preparing a silicon carbide substrate. (S10) is performed. In this step (S10), with reference to FIG. 4, substrate 1 made of single crystal silicon carbide and having n type conductivity, for example, is prepared. The crystal plane orientation of the main surface of the substrate 1 is substantially a {0-33-8} plane, preferably a {0-33-8} plane.

次に、エピタキシャル成長工程(S20)が実施される。この工程(S20)では、図4を参照して、エピタキシャル成長により基板1の一方の主表面上に炭化珪素からなり導電型がn型の耐圧保持層2が形成される。この耐圧保持層2の上部表面の面方位も、実質的に{0−33−8}面となっている。なお、耐圧保持層2と炭化珪素基板1との間に、バッファ層を形成してもよい。当該バッファ層としては、たとえば導電型がn型の炭化珪素からなり、たとえばその厚みが0.5μmのエピタキシャル層を形成してもよい。   Next, an epitaxial growth step (S20) is performed. In this step (S20), with reference to FIG. 4, breakdown voltage holding layer 2 made of silicon carbide and having n type conductivity is formed on one main surface of substrate 1 by epitaxial growth. The plane orientation of the upper surface of the breakdown voltage holding layer 2 is substantially a {0-33-8} plane. A buffer layer may be formed between breakdown voltage holding layer 2 and silicon carbide substrate 1. As the buffer layer, for example, an epitaxial layer made of n-type silicon carbide and having a thickness of 0.5 μm, for example, may be formed.

次に、イオン注入工程(S30)が実施される。この工程(S30)では、図4を参照して、まずウェル領域であるp型ボディ層3を形成するためのイオン注入が実施される。具体的には、たとえばAl(アルミニウム)イオンが耐圧保持層2に注入されることにより、p型ボディ層3が形成される。次に、n型ソースコンタクト層4を形成するためのイオン注入が実施される。具体的には、たとえばP(リン)イオンがp型ボディ層3に注入されることにより、ウェル領域であるp型ボディ層3内にn型ソースコンタクト層4が形成される。上記イオン注入は、たとえば耐圧保持層2の主面上に二酸化珪素(SiO)からなり、イオン注入を実施すべき所望の領域に開口を有するマスク層を形成して実施することができる。 Next, an ion implantation step (S30) is performed. In this step (S30), referring to FIG. 4, first, ion implantation for forming p type body layer 3 which is a well region is performed. Specifically, for example, p-type body layer 3 is formed by implanting Al (aluminum) ions into breakdown voltage holding layer 2. Next, ion implantation for forming n-type source contact layer 4 is performed. Specifically, for example, P (phosphorus) ions are implanted into the p-type body layer 3 to form the n-type source contact layer 4 in the p-type body layer 3 that is a well region. The ion implantation can be performed, for example, by forming a mask layer made of silicon dioxide (SiO 2 ) on the main surface of the breakdown voltage holding layer 2 and having an opening in a desired region where ion implantation is to be performed.

次に、活性化アニール工程(S40)が実施される。この工程(S40)では、図3に示した半導体装置の製造方法における工程(S40)と同様に、上記イオン注入が実施された耐圧保持層2を備える基板を、たとえばアルゴンなどの不活性ガス雰囲気中において1700℃に加熱し、30分間保持する熱処理が実施される。これにより、上記工程(S30)において注入された不純物が活性化する。また、この工程(S40)では、上述したイオン注入が行なわれた耐圧保持層2の上部表面上には特に保護膜などは形成されておらず、当該上部表面はアニール雰囲気に露出した状態となっている。そして、耐圧保持層2の表面は実質的に{0−33−8}面となっているため、上記活性化アニールによって表面荒れはほとんど発生しない。   Next, an activation annealing step (S40) is performed. In this step (S40), in the same manner as in step (S40) in the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 3, the substrate including the withstand voltage holding layer 2 on which the above-described ion implantation is performed is placed in an inert gas atmosphere such as argon. Inside, a heat treatment is performed by heating to 1700 ° C. and holding for 30 minutes. Thereby, the impurities implanted in the step (S30) are activated. In this step (S40), no protective film or the like is particularly formed on the upper surface of the breakdown voltage holding layer 2 on which the above-described ion implantation is performed, and the upper surface is exposed to the annealing atmosphere. ing. And since the surface of the pressure | voltage resistant holding | maintenance layer 2 becomes a {0-33-8} surface substantially, surface roughness hardly generate | occur | produces by the said activation annealing.

次に、酸化膜形成工程(S50)が実施される。この工程(S50)では、上記活性化アニール工程を実施した後の耐圧保持層2が形成された基板に対して、たとえば酸素雰囲気中において1300℃に加熱して60分間保持する熱処理が実施されることにより、図4に示す酸化膜(ゲート絶縁膜8)が形成される。   Next, an oxide film forming step (S50) is performed. In this step (S50), for example, a heat treatment is performed on the substrate on which the breakdown voltage holding layer 2 has been formed after the activation annealing step is heated to 1300 ° C. and held for 60 minutes in an oxygen atmosphere. As a result, the oxide film (gate insulating film 8) shown in FIG. 4 is formed.

次に、電極形成工程(S60)が実施される。この工程(S60)では、たとえばCVD法により、不純物が添加されて導電体となっているポリシリコンからなるゲート電極9(図4参照)が形成される。さらに、上記ゲート絶縁膜8において、少なくともn型ソースコンタクト層4上に位置する領域に、図4に示すように上記n型ソースコンタクト層4の表面およびp型ボディ層3の表面の一部を露出させる開口部を形成する。当該開口部の形成方法としては、従来周知の任意の方法を用いることができる。そして、ゲート電極9の上部表面および側面を覆う絶縁膜10を形成する。当該絶縁膜10の形成方法としては、CVD法やフォトリソグラフィ法など従来周知の任意の方法を用いることができる。   Next, an electrode formation step (S60) is performed. In this step (S60), gate electrode 9 (see FIG. 4) made of polysilicon, which is a conductor added with impurities, is formed by, for example, CVD. Furthermore, in the gate insulating film 8, at least in a region located on the n-type source contact layer 4, the surface of the n-type source contact layer 4 and a part of the surface of the p-type body layer 3 are formed as shown in FIG. An opening to be exposed is formed. As a method for forming the opening, any conventionally known method can be used. Then, an insulating film 10 covering the upper surface and side surfaces of the gate electrode 9 is formed. As a method for forming the insulating film 10, any conventionally known method such as a CVD method or a photolithography method can be used.

そして、n型ソースコンタクト層4およびp型ボディ層3の露出した部分と接続されるソース電極12を、たとえばリフトオフ法を用いて形成する。なお、ソース電極12としては、たとえばニッケル(Ni)を用いることができる。なお、ここでアロイ化のための熱処理を行なうことが好ましい。具体的には、たとえば雰囲気ガスとして不活性ガスであるアルゴン(Ar)ガスを用い、加熱温度を950℃、加熱時間を2分といった熱処理(アロイ化処理)を行なう。その後、基板1の裏面側にドレイン電極14を形成する。以上の手順により、本実施の形態における半導体装置101が完成する。   Then, source electrode 12 connected to the exposed portions of n-type source contact layer 4 and p-type body layer 3 is formed using, for example, a lift-off method. For example, nickel (Ni) can be used as the source electrode 12. In addition, it is preferable to perform the heat processing for alloying here. Specifically, for example, an argon (Ar) gas that is an inert gas is used as the atmosphere gas, and a heat treatment (alloying treatment) is performed with a heating temperature of 950 ° C. and a heating time of 2 minutes. Thereafter, the drain electrode 14 is formed on the back side of the substrate 1. With the above procedure, the semiconductor device 101 in this embodiment is completed.

上述のような製造方法により形成された本発明による半導体装置は、上述したように縦型の半導体装置である縦型DiMOSFETであって、基板1、耐圧保持層2、p型ボディ層3、n型ソースコンタクト層4、ゲート絶縁膜8、ソース電極12、ゲート電極9および基板1の裏面側に形成されたドレイン電極14を備える。具体的には、たとえば導電型がn型のSiC単結晶からなる基板1の主表面上に、炭化珪素からなる耐圧保持層2が形成されている。この耐圧保持層2の表面には、導電型がp型であるp型ボディ層3が互いに間隔を隔てて形成されている。p型ボディ層3の内部においては、p型ボディ層3の表面層にn型ソースコンタクト層4が形成されている。   The semiconductor device according to the present invention formed by the manufacturing method as described above is a vertical DiMOSFET which is a vertical semiconductor device as described above, and includes a substrate 1, a breakdown voltage holding layer 2, a p-type body layer 3, n. A type source contact layer 4, a gate insulating film 8, a source electrode 12, a gate electrode 9, and a drain electrode 14 formed on the back side of the substrate 1 are provided. Specifically, for example, breakdown voltage holding layer 2 made of silicon carbide is formed on the main surface of substrate 1 made of a SiC single crystal of n-type conductivity. A p-type body layer 3 having a p-type conductivity is formed on the surface of the breakdown voltage holding layer 2 at a distance from each other. Inside the p-type body layer 3, an n-type source contact layer 4 is formed on the surface layer of the p-type body layer 3.

一方のp型ボディ層3におけるn型ソースコンタクト層4上から、p型ボディ層3、2つのp型ボディ層3の間において露出する耐圧保持層2、他方のp型ボディ層3および当該他方のp型ボディ層3におけるn型ソースコンタクト層4上にまで延在するように、酸化膜からなるゲート絶縁膜8が形成されている。ゲート絶縁膜8上にはゲート電極9が形成されている。このゲート電極9の端面および上部表面を覆うように絶縁膜10が形成されている。そして、n型ソースコンタクト層4およびp型ボディ層3の一部と接続されるとともに、上記絶縁膜10を覆うようにソース電極12が形成されている。そして、基板1において耐圧保持層2が形成された側の表面とは反対側の面である裏面にドレイン電極14が形成されている。   The p-type body layer 3, the breakdown voltage holding layer 2 exposed between the two p-type body layers 3, the other p-type body layer 3, and the other one from above the n-type source contact layer 4 in one p-type body layer 3 A gate insulating film 8 made of an oxide film is formed so as to extend onto the n-type source contact layer 4 in the p-type body layer 3. A gate electrode 9 is formed on the gate insulating film 8. An insulating film 10 is formed so as to cover the end face and the upper surface of the gate electrode 9. A source electrode 12 is formed so as to be connected to a part of the n-type source contact layer 4 and the p-type body layer 3 and to cover the insulating film 10. A drain electrode 14 is formed on the back surface of the substrate 1 opposite to the surface on which the pressure-resistant holding layer 2 is formed.

このように、炭化珪素層である耐圧保持層2の主表面が実質的に{0−33−8}面となっているため、図3に示した半導体装置の製造方法の場合と同様に、図2に示した活性化アニール工程(S40)では当該耐圧保持層2の表面を被覆する保護膜を形成することなく、アニール処理を行なうことができる。このため、当該保護膜を形成する場合より、製造コストの低減された半導体装置を実現できるとともに、高いチャネル移動度を示す高品質の半導体装置を実現できる。   Thus, since the main surface of the pressure | voltage resistant holding | maintenance layer 2 which is a silicon carbide layer becomes a {0-33-8} surface substantially, like the case of the manufacturing method of the semiconductor device shown in FIG. In the activation annealing step (S40) shown in FIG. 2, annealing can be performed without forming a protective film covering the surface of the breakdown voltage holding layer 2. For this reason, it is possible to realize a semiconductor device with a reduced manufacturing cost as compared with the case where the protective film is formed, and a high-quality semiconductor device exhibiting high channel mobility.

(実施の形態2)
図5および図6を参照して、本発明による半導体装置の実施の形態2を説明する。
(Embodiment 2)
A semiconductor device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図5および図6を参照して、本発明による半導体装置は、複数のメサ構造と、当該メサ構造の間に形成された側面が傾斜した溝とを利用した縦型のデバイスである縦型MOSFETである。図5および図6に示した半導体装置は、炭化珪素からなる基板1と、炭化珪素からなり、導電型がn型であるエピタキシャル層である耐圧保持層2と、炭化珪素からなり、導電型がp型であるp型ボディ層3(p型半導体層3)と、炭化珪素からなり、導電型がn型であるn型ソースコンタクト層4と、炭化珪素からなり、導電型がp型であるコンタクト領域5と、ゲート絶縁膜8と、ゲート電極9と、層間絶縁膜10と、ソース電極12と、ソース配線電極13と、ドレイン電極14と、裏面保護電極15とを備える。   Referring to FIGS. 5 and 6, a semiconductor device according to the present invention is a vertical MOSFET that is a vertical device using a plurality of mesa structures and grooves with inclined side surfaces formed between the mesa structures. It is. The semiconductor device shown in FIGS. 5 and 6 includes a substrate 1 made of silicon carbide, a breakdown voltage holding layer 2 that is an epitaxial layer made of silicon carbide and having an n-type conductivity, silicon carbide, and has a conductivity type. A p-type body layer 3 (p-type semiconductor layer 3) which is p-type, an n-type source contact layer 4 which is made of silicon carbide and has an n-type conductivity, and a silicon carbide and has a p-type conductivity. A contact region 5, a gate insulating film 8, a gate electrode 9, an interlayer insulating film 10, a source electrode 12, a source wiring electrode 13, a drain electrode 14, and a back surface protective electrode 15 are provided.

図5に示すように、基板1の主表面上に、炭化珪素層を部分的に除去することで複数の(図5では4つの)メサ構造が形成されている。具体的には、メサ構造は上部表面および底面が六角形状となっており、その側壁は基板1の主表面に対して傾斜している。隣接するメサ構造の間には、当該メサ構造の側壁が傾斜した側面20となっている溝6が形成されている。   As shown in FIG. 5, a plurality of (four in FIG. 5) mesa structures are formed on the main surface of substrate 1 by partially removing the silicon carbide layer. Specifically, the top surface and bottom surface of the mesa structure are hexagonal, and the side walls thereof are inclined with respect to the main surface of the substrate 1. Between adjacent mesa structures, a groove 6 having a side surface 20 with inclined side walls of the mesa structure is formed.

また、図5および図6に示した半導体装置において、基板1は、結晶型が六方晶の炭化珪素からなる。耐圧保持層2は、基板1の一方の主表面上に形成されている。耐圧保持層2上にはp型ボディ層3が形成されている。p型ボディ層3上には、n型ソースコンタクト層4が形成されている。このn型ソースコンタクト層4に取囲まれるように、p型のコンタクト領域5が形成されている。n型ソースコンタクト層4、p型ボディ層3および耐圧保持層2を部分的に除去することにより、溝6により囲まれたメサ構造が形成されている。溝6の側壁(メサ構造の側壁)は基板1の主表面に対して傾斜した端面になっている。傾斜した端面により囲まれた凸部(上部表面上にソース電極12が形成されたメサ構造である凸形状部)の平面形状は図5に示すように六角形状になっている。   In the semiconductor device shown in FIGS. 5 and 6, substrate 1 is made of silicon carbide having a crystal type of hexagonal crystal. The breakdown voltage holding layer 2 is formed on one main surface of the substrate 1. A p-type body layer 3 is formed on the breakdown voltage holding layer 2. An n-type source contact layer 4 is formed on the p-type body layer 3. A p-type contact region 5 is formed so as to be surrounded by the n-type source contact layer 4. By partially removing n-type source contact layer 4, p-type body layer 3 and breakdown voltage holding layer 2, a mesa structure surrounded by trench 6 is formed. The side wall of the groove 6 (the side wall of the mesa structure) is an end surface that is inclined with respect to the main surface of the substrate 1. The planar shape of the convex part surrounded by the inclined end face (the convex part having a mesa structure in which the source electrode 12 is formed on the upper surface) is hexagonal as shown in FIG.

この溝6の側壁および底壁上にはゲート絶縁膜8が形成されている。このゲート絶縁膜8はn型ソースコンタクト層4の上部表面上にまで延在している。このゲート絶縁膜8上であって、溝6の内部を充填するように(つまり隣接するメサ構造の間の空間を充填するように)ゲート電極9が形成されている。ゲート電極9の上部表面は、ゲート絶縁膜8においてn型ソースコンタクト層4の上部表面上に位置する部分の上面とほぼ同じ高さになっている。   A gate insulating film 8 is formed on the side wall and bottom wall of the trench 6. This gate insulating film 8 extends to the upper surface of the n-type source contact layer 4. A gate electrode 9 is formed on the gate insulating film 8 so as to fill the inside of the trench 6 (that is, so as to fill a space between adjacent mesa structures). The upper surface of the gate electrode 9 has substantially the same height as the upper surface of the portion located on the upper surface of the n-type source contact layer 4 in the gate insulating film 8.

ゲート絶縁膜8のうちn型ソースコンタクト層4の上部表面上にまで延在する部分とゲート電極9とを覆うように層間絶縁膜10が形成されている。層間絶縁膜10とゲート絶縁膜8の一部とを除去することにより、n型ソースコンタクト層4の一部とp型のコンタクト領域5とを露出するように開口部11が形成されている。この開口部11の内部を充填するとともに、p型のコンタクト領域5およびn型ソースコンタクト層4の一部と接触するようにソース電極12が形成されている。ソース電極12の上部表面と接触するとともに、層間絶縁膜10の上部表面上に延在するようにソース配線電極13が形成されている。また、基板1において耐圧保持層2が形成された主表面とは反対側の裏面上には、ドレイン電極14が形成されている。このドレイン電極14はオーミック電極である。このドレイン電極14において、基板1と対向する面とは反対側の面上に裏面保護電極15が形成されている。   An interlayer insulating film 10 is formed so as to cover a portion of gate insulating film 8 that extends to the upper surface of n-type source contact layer 4 and gate electrode 9. By removing the interlayer insulating film 10 and a part of the gate insulating film 8, an opening 11 is formed so as to expose a part of the n-type source contact layer 4 and the p-type contact region 5. A source electrode 12 is formed so as to fill the inside of the opening 11 and to be in contact with a part of the p-type contact region 5 and the n-type source contact layer 4. Source wiring electrode 13 is formed to be in contact with the upper surface of source electrode 12 and to extend on the upper surface of interlayer insulating film 10. A drain electrode 14 is formed on the back surface of the substrate 1 opposite to the main surface on which the breakdown voltage holding layer 2 is formed. The drain electrode 14 is an ohmic electrode. In this drain electrode 14, a back surface protection electrode 15 is formed on the surface opposite to the surface facing the substrate 1.

図5および図6に示した半導体装置においては、溝6の側壁(メサ構造の側壁)が傾斜するとともに、当該側壁は、耐圧保持層2などを構成する炭化珪素の結晶型が六方晶の場合には実質的に{0−33−8}面となっている。具体的には、当該側壁を構成する結晶面について、<1−100>方向における{0−33−8}面に対するオフ角が−3°以上3°以下の面、より好ましくは−1°以上1°以下の面となっている。図6から分かるように、これらのいわゆる半極性面となっている側壁を半導体装置の能動領域であってイオン注入領域であるチャネル領域として利用することができる。そして、これらの側壁は安定な結晶面であるため、当該側壁をチャネル領域に利用した場合、他の結晶面(たとえば(0001)面)をチャネル領域に利用した場合より、高いチャネル移動度を得られるとともに、リーク電流を十分低減でき、また高い耐圧を得ることができる。   In the semiconductor device shown in FIGS. 5 and 6, the side wall of trench 6 (side wall of the mesa structure) is inclined, and the side wall has a hexagonal crystal type of silicon carbide constituting breakdown voltage holding layer 2 and the like. Is substantially the {0-33-8} plane. Specifically, with respect to the crystal plane constituting the side wall, the off angle with respect to the {0-33-8} plane in the <1-100> direction is −3 ° or more and 3 ° or less, more preferably −1 ° or more. The surface is 1 ° or less. As can be seen from FIG. 6, these so-called semipolar side walls can be used as a channel region which is an active region and an ion implantation region of a semiconductor device. Since these side walls are stable crystal planes, when the side walls are used for the channel region, higher channel mobility is obtained than when other crystal planes (for example, (0001) plane) are used for the channel region. In addition, the leakage current can be sufficiently reduced and a high breakdown voltage can be obtained.

次に、図5および図6に示した半導体装置の動作について簡単に説明する。図6を参照して、ゲート電極9にしきい値以下の電圧を与えた状態、すなわちオフ状態では、p型ボディ層3と導電型がn型である耐圧保持層2との間が逆バイアスとなり、非導通状態となる。一方、ゲート電極9に正の電圧を印加すると、p型ボディ層3においてゲート絶縁膜8と接触する領域の近傍であるチャネル領域において、反転層が形成される。その結果、n型ソースコンタクト層4と耐圧保持層2とが電気的に接続された状態となる。この結果、ソース電極12とドレイン電極14との間に電流が流れる。   Next, the operation of the semiconductor device shown in FIGS. 5 and 6 will be briefly described. Referring to FIG. 6, in a state where a voltage equal to or lower than a threshold is applied to gate electrode 9, that is, in an off state, a reverse bias is applied between p type body layer 3 and breakdown voltage holding layer 2 having a conductivity type of n type. It becomes a non-conductive state. On the other hand, when a positive voltage is applied to the gate electrode 9, an inversion layer is formed in the channel region in the vicinity of the region in contact with the gate insulating film 8 in the p-type body layer 3. As a result, the n-type source contact layer 4 and the breakdown voltage holding layer 2 are electrically connected. As a result, a current flows between the source electrode 12 and the drain electrode 14.

次に、図7〜図15を参照して、図5および図6に示した本発明による半導体装置の製造方法を説明する。   Next, a method for manufacturing the semiconductor device shown in FIGS. 5 and 6 according to the present invention will be described with reference to FIGS.

まず、図7を参照して、炭化珪素からなる基板1の主表面上に、導電型がn型である炭化珪素のエピタキシャル層を形成する。当該エピタキシャル層は耐圧保持層2となる。耐圧保持層2を形成するためのエピタキシャル成長は、たとえば原料ガスとしてシラン(SiH4)とプロパン(C38)との混合ガスを用い、キャリアガスとしてたとえば水素ガス(H2)を用いたCVD法により実施することができる。また、このとき導電型がn型の不純物としてたとえば窒素(N)やリン(P)を導入することが好ましい。この耐圧保持層2のn型不純物の濃度は、たとえば5×1013cm-3以上5×1016cm-3以下とすることができる。 First, referring to FIG. 7, an epitaxial layer of silicon carbide having n type conductivity is formed on the main surface of substrate 1 made of silicon carbide. The epitaxial layer becomes the breakdown voltage holding layer 2. Epitaxial growth for forming the breakdown voltage holding layer 2 is a CVD using, for example, a mixed gas of silane (SiH 4 ) and propane (C 3 H 8 ) as a source gas and using, for example, hydrogen gas (H 2 ) as a carrier gas. It can be implemented by law. At this time, it is preferable to introduce, for example, nitrogen (N) or phosphorus (P) as an n-type impurity. The concentration of the n-type impurity in the breakdown voltage holding layer 2 can be, for example, 5 × 10 13 cm −3 or more and 5 × 10 16 cm −3 or less.

次に、耐圧保持層2の上部表面層にイオン注入を行なうことにより、p型ボディ層3およびn型ソースコンタクト層4を形成する。p型ボディ層3を形成するためのイオン注入においては、たとえばアルミニウム(Al)などの導電型がp型の不純物をイオン注入する。このとき、注入するイオンの加速エネルギーを調整することによりp型ボディ層3が形成される領域の深さを調整することができる。   Next, p-type body layer 3 and n-type source contact layer 4 are formed by implanting ions into the upper surface layer of breakdown voltage holding layer 2. In ion implantation for forming p-type body layer 3, an impurity having a p-type conductivity such as aluminum (Al) is implanted. At this time, the depth of the region where the p-type body layer 3 is formed can be adjusted by adjusting the acceleration energy of the implanted ions.

次に導電型がn型の不純物を、p型ボディ層3が形成された耐圧保持層2へイオン注入することにより、n型ソースコンタクト層4を形成する。n型の不純物としてはたとえばリンなどを用いることができる。このようにして、図8に示す構造を得る。   Next, an n-type source contact layer 4 is formed by ion-implanting impurities of n-type conductivity into the breakdown voltage holding layer 2 in which the p-type body layer 3 is formed. For example, phosphorus or the like can be used as the n-type impurity. In this way, the structure shown in FIG. 8 is obtained.

次に、図9に示すように、n型ソースコンタクト層4の上部表面上にマスク層17を形成する。マスク層17として、たとえばシリコン酸化膜などの絶縁膜を用いることができる。マスク層17の形成方法としては、たとえば以下のような工程を用いることができる。すなわち、n型ソースコンタクト層4の上部表面上に、CVD法などを用いてシリコン酸化膜を形成する。そして、このシリコン酸化膜上にフォトリソグラフィ法を用いて所定の開口パターンを有するレジスト膜(図示せず)を形成する。このレジスト膜をマスクとして用いて、シリコン酸化膜をエッチングにより除去する。その後レジスト膜を除去する。この結果、図9に示した溝16が形成されるべき領域に開口パターンを有するマスク層17が形成される。   Next, as shown in FIG. 9, a mask layer 17 is formed on the upper surface of the n-type source contact layer 4. As mask layer 17, for example, an insulating film such as a silicon oxide film can be used. As a method for forming the mask layer 17, for example, the following steps can be used. That is, a silicon oxide film is formed on the upper surface of the n-type source contact layer 4 using a CVD method or the like. Then, a resist film (not shown) having a predetermined opening pattern is formed on the silicon oxide film by using a photolithography method. Using this resist film as a mask, the silicon oxide film is removed by etching. Thereafter, the resist film is removed. As a result, a mask layer 17 having an opening pattern is formed in a region where the groove 16 shown in FIG. 9 is to be formed.

そして、このマスク層17をマスクとして用いて、n型ソースコンタクト層4、p型ボディ層3および耐圧保持層2の一部をエッチングにより除去する。エッチングの方法としてはたとえば反応性イオンエッチング(RIE)、特に誘導結合プラズマ(ICP)RIEを用いることができる。具体的には、たとえば反応ガスとしてSF6またはSF6とO2との混合ガスを用いたICP−RIEを用いることができる。このようなエッチングにより、図6の溝6が形成されるべき領域に、側壁が基板1の主表面に対してほぼ垂直な溝16を形成することができる。このようにして、図9に示す構造を得る。 Then, using this mask layer 17 as a mask, parts of n-type source contact layer 4, p-type body layer 3 and breakdown voltage holding layer 2 are removed by etching. As an etching method, for example, reactive ion etching (RIE), particularly inductively coupled plasma (ICP) RIE can be used. Specifically, for example, ICP-RIE using SF 6 or a mixed gas of SF 6 and O 2 as a reaction gas can be used. By such etching, grooves 16 whose side walls are substantially perpendicular to the main surface of the substrate 1 can be formed in regions where the grooves 6 in FIG. 6 are to be formed. In this way, the structure shown in FIG. 9 is obtained.

次に、耐圧保持層2、p型ボディ層3およびn型ソースコンタクト層4において所定の結晶面を表出させる熱エッチング工程を実施する。具体的には、図9に示した溝16の側壁を、酸素ガスと塩素ガスとの混合ガスを反応ガスとして用い、熱処理温度をたとえば700℃以上1000℃以下としたエッチング(熱エッチング)を行なうことにより、図10に示すように基板1の主表面に対して傾斜した側面20を有する溝6を形成することができる。   Next, a thermal etching process for exposing a predetermined crystal plane in the breakdown voltage holding layer 2, the p-type body layer 3 and the n-type source contact layer 4 is performed. Specifically, the side wall of the groove 16 shown in FIG. 9 is etched (thermal etching) using a mixed gas of oxygen gas and chlorine gas as a reaction gas and a heat treatment temperature of, for example, 700 ° C. to 1000 ° C. Thereby, as shown in FIG. 10, the groove | channel 6 which has the side surface 20 inclined with respect to the main surface of the board | substrate 1 can be formed.

ここで、上記熱エッチング工程の条件については、SiC+mO+nCl→SiCl+COy(ただし、m、n、x、yは正の数)と表される反応式において、0.5≦x≦2.0、1.0≦y≦2.0というxおよびyの条件が満たされる場合に主な反応が進み、x=4、y=2という条件の場合が最も反応(熱エッチング)が進む。なお、反応ガスは、上述した塩素ガスと酸素ガスとに加えて、キャリアガスを含んでいてもよい。キャリアガスとしては、たとえば窒素(N)ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスなどを用いることができる。そして、上述のように熱処理温度を700℃以上1000℃以下とした場合、SiCのエッチング速度はたとえば70μm/hr程度になる。また、この場合にマスク層17として酸化珪素(SiO)を用いると、SiOに対するSiCの選択比を極めて大きくすることができるので、SiCのエッチング中にSiO2からなるマスク層17は実質的にエッチングされない。 Here, with respect to the conditions of the thermal etching step, 0.5 ≦ x ≦ 2 in a reaction formula expressed as SiC + mO 2 + nCl 2 → SiCl x + COy (where m, n, x, and y are positive numbers). The main reaction proceeds when the x and y conditions of 0.0 and 1.0 ≦ y ≦ 2.0 are satisfied, and the reaction (thermal etching) proceeds most when the conditions of x = 4 and y = 2. Note that the reaction gas may contain a carrier gas in addition to the above-described chlorine gas and oxygen gas. As the carrier gas, for example, nitrogen (N 2 ) gas, argon gas, helium gas or the like can be used. When the heat treatment temperature is set to 700 ° C. or more and 1000 ° C. or less as described above, the etching rate of SiC is, for example, about 70 μm / hr. Further, in this case, if silicon oxide (SiO 2 ) is used as the mask layer 17, the selectivity ratio of SiC to SiO 2 can be extremely increased, so that the mask layer 17 made of SiO 2 is substantially not etched during SiC etching. Not etched.

なお、この側面20に表出する結晶面は実質的に{0−33−8}面となっている。つまり、上述した条件のエッチングにおいては、エッチング速度の最も遅い結晶面である{0−33−8}面が溝6の側面20として自己形成される。この結果、図10に示すような構造を得る。なお、側面20を構成する結晶面は{01−1−4}面となっていてもよい。また、耐圧保持層2などを構成する炭化珪素の結晶型が立方晶である場合には、側面20を構成する結晶面は{111}面であってもよい。   The crystal plane appearing on the side surface 20 is substantially a {0-33-8} plane. That is, in the etching under the conditions described above, the {0-33-8} plane that is the crystal plane with the slowest etching rate is self-formed as the side face 20 of the groove 6. As a result, a structure as shown in FIG. 10 is obtained. The crystal plane constituting the side surface 20 may be a {01-1-4} plane. Further, when the crystal type of silicon carbide constituting the breakdown voltage holding layer 2 or the like is a cubic crystal, the crystal plane constituting the side surface 20 may be a {111} plane.

次に、マスク層17をエッチングなど任意の方法により除去する。その後、溝6の内部からn型ソースコンタクト層4の上部表面上にまで延在するように、所定のパターンを有するレジスト膜(図示せず)を、フォトリソグラフィ法を用いて形成する。レジスト膜としては、溝6の底部およびn型ソースコンタクト層4の上部表面の一部に開口パターンが形成されているものを用いる。そして、このレジスト膜をマスクとして用いて、導電型がp型の不純物をイオン注入することにより、溝6の底部に電界緩和領域7を形成し、n型ソースコンタクト層4の一部領域に導電型がp型のコンタクト領域5を形成する。その後レジスト膜を除去する。この結果、図11および図12に示すような構造を得る。図12から分かるように、溝6の平面形状は、単位胞(1つのメサ構造を取り囲む環状の溝6)の平面形状が六角形状である網目形状となっている。また、p型のコンタクト領域5は、図12に示すようにメサ構造の上部表面におけるほぼ中央部に配置されている。また、p型のコンタクト領域5の平面形状は、メサ構造の上部表面の外周形状と同じであって、六角形状となっている。   Next, the mask layer 17 is removed by an arbitrary method such as etching. Thereafter, a resist film (not shown) having a predetermined pattern is formed by photolithography so as to extend from the inside of the trench 6 to the upper surface of the n-type source contact layer 4. As the resist film, a resist film having an opening pattern formed at the bottom of the groove 6 and a part of the upper surface of the n-type source contact layer 4 is used. Then, by using this resist film as a mask, an impurity having a conductivity type of p-type is ion-implanted to form an electric field relaxation region 7 at the bottom of the trench 6, and a conductive region in a partial region of the n-type source contact layer 4. A contact region 5 having a p-type is formed. Thereafter, the resist film is removed. As a result, a structure as shown in FIGS. 11 and 12 is obtained. As can be seen from FIG. 12, the planar shape of the groove 6 is a mesh shape in which the planar shape of the unit cell (the annular groove 6 surrounding one mesa structure) is a hexagonal shape. In addition, the p-type contact region 5 is disposed substantially at the center of the upper surface of the mesa structure as shown in FIG. The planar shape of the p-type contact region 5 is the same as the outer peripheral shape of the upper surface of the mesa structure, and is a hexagonal shape.

そして、上述したイオン注入により注入された不純物を活性化するための活性化アニール工程を実施する。この活性化アニール工程においては、炭化珪素からなるエピタキシャル層の表面上(たとえばメサ構造の側壁上)に特にキャップ層を形成することなくアニール処理を実施する。ここで、発明者らは、上述した{0−33−8}面については、キャップ層などの保護膜を表面に形成することなく活性化アニール処理を行なっても表面性状が劣化することがなく、十分な表面平滑性を維持できることを見出した。このため、従来必要と考えられていた活性化アニール処理前の保護膜(キャップ層)の形成工程を省略して、直接活性化アニール工程を実施している。なお、上述したキャップ層を形成したうえで活性化アニール工程を実施してもよい。また、たとえばn型ソースコンタクト層4およびp型のコンタクト領域5の上部表面上のみにキャップ層を設けた構成として、活性化アニール処理を実施してもよい。   Then, an activation annealing step for activating the impurities implanted by the above-described ion implantation is performed. In this activation annealing step, annealing is performed without forming a cap layer on the surface of the epitaxial layer made of silicon carbide (for example, on the side wall of the mesa structure). Here, the inventors do not deteriorate the surface properties of the above-described {0-33-8} plane even if the activation annealing treatment is performed without forming a protective film such as a cap layer on the surface. It was found that sufficient surface smoothness can be maintained. For this reason, the activation annealing step is directly performed by omitting the step of forming the protective film (cap layer) before the activation annealing treatment, which has been conventionally considered necessary. Note that the activation annealing step may be performed after the cap layer described above is formed. In addition, for example, the activation annealing treatment may be performed by providing a cap layer only on the upper surfaces of the n-type source contact layer 4 and the p-type contact region 5.

次に、図13に示すように、溝6の内部からn型ソースコンタクト層4およびp型のコンタクト領域5の上部表面上にまで延在するようにゲート絶縁膜8を形成する。ゲート絶縁膜8としては、たとえば炭化珪素からなるエピタキシャル層を熱酸化することにより得られる酸化膜(酸化ケイ素膜)を用いることができる。このようにして、図13に示す構造を得る。   Next, as shown in FIG. 13, gate insulating film 8 is formed so as to extend from the inside of trench 6 to the upper surfaces of n-type source contact layer 4 and p-type contact region 5. As gate insulating film 8, for example, an oxide film (silicon oxide film) obtained by thermally oxidizing an epitaxial layer made of silicon carbide can be used. In this way, the structure shown in FIG. 13 is obtained.

次に、図14に示すように、溝6の内部を充填するように、ゲート絶縁膜8上にゲート電極9を形成する。ゲート電極9の形成方法としては、たとえば以下のような方法を用いることができる。まず、ゲート絶縁膜8上において、溝6の内部およびp型のコンタクト領域5上の領域にまで延在するゲート電極となるべき導電体膜を、スパッタリング法などを用いて形成する。導電体膜の材料としては導電性を有する材料であれば金属など任意の材料を用いることができる。その後、エッチバックあるいはCMP法など任意の方法を用いて、溝6の内部以外の領域に形成された導電体膜の部分を除去する。この結果、溝6の内部を充填するような導電体膜が残存し、当該導電体膜によりゲート電極9が構成される。このようにして、図14に示す構造を得る。   Next, as shown in FIG. 14, a gate electrode 9 is formed on the gate insulating film 8 so as to fill the inside of the trench 6. As a method for forming the gate electrode 9, for example, the following method can be used. First, on the gate insulating film 8, a conductor film to be a gate electrode extending to the inside of the trench 6 and the region on the p-type contact region 5 is formed by sputtering or the like. As a material of the conductor film, any material such as metal can be used as long as it is a conductive material. Thereafter, the portion of the conductor film formed in a region other than the inside of the trench 6 is removed by using any method such as etch back or CMP. As a result, a conductor film filling the inside of the groove 6 remains, and the gate electrode 9 is constituted by the conductor film. In this way, the structure shown in FIG. 14 is obtained.

次に、ゲート電極9の上部表面、およびp型のコンタクト領域5上において露出しているゲート絶縁膜8の上部表面上を覆うように層間絶縁膜10(図15参照)を形成する。層間絶縁膜としては、絶縁性を有する材料であれば任意の材料を用いることができる。そして、層間絶縁膜10上に、パターンを有するレジスト膜を、フォトリソグラフィ法を用いて形成する。当該レジスト膜(図示せず)にはp型のコンタクト領域5上に位置する領域に開口パターンが形成されている。   Next, interlayer insulating film 10 (see FIG. 15) is formed so as to cover the upper surface of gate electrode 9 and the upper surface of gate insulating film 8 exposed on p-type contact region 5. As the interlayer insulating film, any material can be used as long as it is an insulating material. Then, a resist film having a pattern is formed on the interlayer insulating film 10 by using a photolithography method. In the resist film (not shown), an opening pattern is formed in a region located on the p-type contact region 5.

そして、このレジスト膜をマスクとして用いて、エッチングにより層間絶縁膜10およびゲート絶縁膜8を部分的にエッチングにより除去する。この結果、層間絶縁膜10およびゲート絶縁膜8には開口部11(図15参照)が形成される。この開口部11の底部においては、p型のコンタクト領域5およびn型ソースコンタクト層4の一部が露出した状態となる。その後、当該開口部11の内部を充填するとともに、上述したレジスト膜の上部表面上を覆うようにソース電極12(図15参照)となるべき導電体膜を形成する。その後、薬液などを用いてレジスト膜を除去することにより、レジスト膜上に形成されていた導電体膜の部分を同時に除去する(リストオフ)。この結果、開口部11の内部に充填された導電体膜によりソース電極12を形成できる。このソース電極12はp型のコンタクト領域5およびn型ソースコンタクト層4とオーミック接触したオーミック電極である。   Then, using this resist film as a mask, the interlayer insulating film 10 and the gate insulating film 8 are partially removed by etching. As a result, an opening 11 (see FIG. 15) is formed in the interlayer insulating film 10 and the gate insulating film 8. At the bottom of the opening 11, the p-type contact region 5 and the n-type source contact layer 4 are partially exposed. Thereafter, a conductor film to be the source electrode 12 (see FIG. 15) is formed so as to fill the inside of the opening 11 and cover the upper surface of the resist film described above. Thereafter, by removing the resist film using a chemical solution or the like, the portion of the conductor film formed on the resist film is simultaneously removed (list off). As a result, the source electrode 12 can be formed by the conductor film filled in the opening 11. The source electrode 12 is an ohmic electrode in ohmic contact with the p-type contact region 5 and the n-type source contact layer 4.

また、基板1の裏面側(耐圧保持層2が形成された主表面と反対側の表面側)に、ドレイン電極14(図15参照)を形成する。ドレイン電極14としては、基板1とオーミック接触が可能な材料であれば任意の材料を用いることができる。このようにして、図15に示す構造を得る。   Further, the drain electrode 14 (see FIG. 15) is formed on the back surface side of the substrate 1 (the surface side opposite to the main surface on which the breakdown voltage holding layer 2 is formed). As the drain electrode 14, any material can be used as long as it can make ohmic contact with the substrate 1. In this way, the structure shown in FIG. 15 is obtained.

その後、ソース電極12の上部表面に接触するとともに、層間絶縁膜10の上部表面上に延在するソース配線電極13(図6参照)、およびドレイン電極14の表面に形成された裏面保護電極15(図6参照)をそれぞれスパッタリング法などの任意の方法を用いて形成する。この結果、図5および図6に示す半導体装置を得ることができる。   Thereafter, the source wiring electrode 13 (see FIG. 6) that contacts the upper surface of the source electrode 12 and extends on the upper surface of the interlayer insulating film 10, and the back surface protection electrode 15 ( 6) is formed by using an arbitrary method such as a sputtering method. As a result, the semiconductor device shown in FIGS. 5 and 6 can be obtained.

次に、図16および図17を参照して、図5および図6に示した本発明による半導体装置の製造方法の変形例を説明する。   Next, with reference to FIGS. 16 and 17, a modification of the method for manufacturing the semiconductor device according to the present invention shown in FIGS. 5 and 6 will be described.

本発明による半導体装置の製造方法の変形例では、まず図7〜図9に示した工程を実施する。その後、図9に示したマスク層17を除去する。次に、溝16の内部からn型ソースコンタクト層4の上部表面上にまで延在するように珪素からなるSi被膜21(図16参照)を形成する。この状態で、熱処理を行なうことにより、溝16の内周面およびn型ソースコンタクト層4の上部表面のSi被膜21と接触した領域において炭化珪素の再構成が起きる。このようにして、図16に示すように、溝の側壁が所定の結晶面({0−33−8}面)となるように炭化珪素の再構成層22が形成される。この結果、図16に示すような構造を得る。   In a modification of the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, first, the steps shown in FIGS. Thereafter, the mask layer 17 shown in FIG. 9 is removed. Next, a Si coating 21 (see FIG. 16) made of silicon is formed so as to extend from the inside of the trench 16 to the upper surface of the n-type source contact layer 4. By performing the heat treatment in this state, silicon carbide is reconfigured in the region in contact with the Si coating 21 on the inner peripheral surface of the groove 16 and the upper surface of the n-type source contact layer 4. In this way, as shown in FIG. 16, silicon carbide reconstructed layer 22 is formed such that the side wall of the groove has a predetermined crystal plane ({0-33-8} plane). As a result, a structure as shown in FIG. 16 is obtained.

この後、残存しているSi被膜21を除去する。Si被膜21の除去方法としては、たとえばHNO3とHF等の混合ガスを用いたエッチングを用いることができる。その後、さらに上述した再構成層22の表面層をエッチングにより除去する。再構成層22を除去するためのエッチングとしては、ICP−RIEを用いることができる。この結果、図17に示すように傾斜した側面を有する溝6を形成できる。 Thereafter, the remaining Si film 21 is removed. As a method for removing the Si coating 21, for example, etching using a mixed gas such as HNO 3 and HF can be used. Thereafter, the surface layer of the reconstruction layer 22 described above is removed by etching. ICP-RIE can be used as the etching for removing the reconstruction layer 22. As a result, as shown in FIG. 17, a groove 6 having an inclined side surface can be formed.

この後、先に説明した図11〜図15に示した工程を実施することにより、図5および図6に示した半導体装置を得ることができる。   Thereafter, the semiconductor device shown in FIGS. 5 and 6 can be obtained by carrying out the steps shown in FIGS. 11 to 15 described above.

(実施の形態3)
図18を参照して、本発明による半導体装置の実施の形態3を説明する。
(Embodiment 3)
With reference to FIG. 18, a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention will be described.

図18を参照して、本発明による半導体装置は、側面が傾斜した溝を利用した縦型のデバイスであるIGBTである。図18に示した半導体装置は、炭化珪素からなる導電型がp型の基板31と、炭化珪素からなり、導電型がp型であるバッファ層としてのp型エピタキシャル層36と、炭化珪素からなり、導電型がn型である耐圧保持層としてのn型エピタキシャル層32と、炭化珪素からなり、導電型がp型であるウェル領域に対応するp型半導体層33と、炭化珪素からなり、導電型がn型であるエミッタ領域に対応するn型ソースコンタクト層34と、炭化珪素からなり、導電型がp型であるコンタクト領域35と、ゲート絶縁膜8と、ゲート電極9と、層間絶縁膜10と、エミッタ電極に対応するソース電極12と、ソース配線電極13と、コレクタ電極に対応するドレイン電極14と、裏面保護電極15とを備える。   Referring to FIG. 18, the semiconductor device according to the present invention is an IGBT which is a vertical device using a groove whose side surface is inclined. The semiconductor device shown in FIG. 18 includes a p-type substrate 31 made of silicon carbide, p-type epitaxial layer 36 as a buffer layer made of silicon carbide, p-type conductivity, and silicon carbide. The n-type epitaxial layer 32 as a breakdown voltage holding layer whose conductivity type is n-type, and silicon carbide, and the p-type semiconductor layer 33 corresponding to the well region whose conductivity type is p-type, and silicon carbide, and conductive N-type source contact layer 34 corresponding to the emitter region of n-type, contact region 35 made of silicon carbide and p-type of conductivity, gate insulating film 8, gate electrode 9, and interlayer insulating film 10, a source electrode 12 corresponding to the emitter electrode, a source wiring electrode 13, a drain electrode 14 corresponding to the collector electrode, and a back surface protective electrode 15.

バッファ層であるp型エピタキシャル層36は、基板31の一方の主表面上に形成されている。p型エピタキシャル層36上にはn型エピタキシャル層32が形成されている。n型エピタキシャル層32上にはp型半導体層33が形成されている。p型半導体層33上には、n型ソースコンタクト層34が形成されている。このn型ソースコンタクト層34に取囲まれるように、p型のコンタクト領域35が形成されている。n型ソースコンタクト層34、p型半導体層33およびn型エピタキシャル層32を部分的に除去することにより溝6が形成されている。溝6の側壁は基板31の主表面に対して傾斜した端面になっている。傾斜した端面により囲まれた凸部(上部表面上にソース電極12が形成された凸形状部としてのメサ構造)の平面形状は、図5などに示した半導体装置と同様に六角形になっている。   The p-type epitaxial layer 36 that is a buffer layer is formed on one main surface of the substrate 31. An n-type epitaxial layer 32 is formed on the p-type epitaxial layer 36. A p-type semiconductor layer 33 is formed on the n-type epitaxial layer 32. An n-type source contact layer 34 is formed on the p-type semiconductor layer 33. A p-type contact region 35 is formed so as to be surrounded by the n-type source contact layer 34. The trench 6 is formed by partially removing the n-type source contact layer 34, the p-type semiconductor layer 33, and the n-type epitaxial layer 32. The side wall of the groove 6 is an end face inclined with respect to the main surface of the substrate 31. The planar shape of the convex portion surrounded by the inclined end surface (the mesa structure as the convex shape portion in which the source electrode 12 is formed on the upper surface) is a hexagon as in the semiconductor device shown in FIG. Yes.

この溝6の側壁および底壁上にはゲート絶縁膜8が形成されている。このゲート絶縁膜8はn型ソースコンタクト層34の上部表面上にまで延在している。このゲート絶縁膜8上であって、溝6の内部を充填するようにゲート電極9が形成されている。ゲート電極9の上部表面は、ゲート絶縁膜8においてn型ソースコンタクト層34の上部表面上に位置する部分の上面とほぼ同じ高さになっている。   A gate insulating film 8 is formed on the side wall and bottom wall of the trench 6. This gate insulating film 8 extends to the upper surface of the n-type source contact layer 34. A gate electrode 9 is formed on the gate insulating film 8 so as to fill the trench 6. The upper surface of the gate electrode 9 has substantially the same height as the upper surface of the portion located on the upper surface of the n-type source contact layer 34 in the gate insulating film 8.

ゲート絶縁膜8のうちn型ソースコンタクト層34の上部表面上にまで延在する部分とゲート電極9とを覆うように層間絶縁膜10が形成されている。層間絶縁膜10とゲート絶縁膜8の一部とを除去することにより、n型ソースコンタクト層34の一部とp型のコンタクト領域35とを露出するように開口部11が形成されている。この開口部11の内部を充填するとともに、p型のコンタクト領域35およびn型ソースコンタクト層34の一部と接触するようにソース電極12が形成されている。ソース電極12の上部表面と接触するとともに、層間絶縁膜10の上部表面上に延在するようにソース配線電極13が形成されている。   Interlayer insulating film 10 is formed so as to cover a portion of gate insulating film 8 that extends to the upper surface of n-type source contact layer 34 and gate electrode 9. By removing the interlayer insulating film 10 and a part of the gate insulating film 8, the opening 11 is formed so as to expose a part of the n-type source contact layer 34 and the p-type contact region 35. Source electrode 12 is formed so as to fill the inside of opening 11 and to be in contact with part of p-type contact region 35 and n-type source contact layer 34. Source wiring electrode 13 is formed to be in contact with the upper surface of source electrode 12 and to extend on the upper surface of interlayer insulating film 10.

また、基板1において耐圧保持層2が形成された主表面とは反対側の裏面上には、図5および図6に示した半導体装置と同様に、ドレイン電極14および裏面保護電極15が形成されている。   On the back surface of the substrate 1 opposite to the main surface on which the breakdown voltage holding layer 2 is formed, the drain electrode 14 and the back surface protection electrode 15 are formed as in the semiconductor device shown in FIGS. ing.

図18に示した半導体装置においても、図5および図6に示した半導体装置と同様に、溝6の側壁が傾斜するとともに、当該側壁は、n型エピタキシャル層32などを構成する炭化珪素の結晶型が六方晶の場合には実質的に{0−33−8}面となっている。この場合も、図5に示した半導体装置と同様の効果を得ることができる。なお、上記実施の形態2および3における半導体装置において、上記側壁は実質的に{01−1−4}面となっていてもよい。また、n型エピタキシャル層32などを構成する炭化珪素の結晶型が立方晶の場合には、当該溝6の傾斜した側壁は実質的に{111}面となっていてもよい。   In the semiconductor device shown in FIG. 18 as well, the side walls of trench 6 are inclined, and the side walls are formed of silicon carbide crystals constituting n-type epitaxial layer 32 and the like, as in the semiconductor devices shown in FIGS. When the mold is hexagonal, it is substantially the {0-33-8} plane. In this case, the same effect as that of the semiconductor device shown in FIG. 5 can be obtained. In the semiconductor devices according to the second and third embodiments, the side wall may be substantially a {01-1-4} plane. In addition, when the crystal type of silicon carbide constituting the n-type epitaxial layer 32 or the like is a cubic crystal, the inclined sidewall of the groove 6 may be substantially a {111} plane.

次に、図18に示した半導体装置の動作を簡単に説明する。図18を参照して、ゲート電極9に負の電圧を印加し、当該負の電圧が閾値を超えると、ゲート電極9側方のゲート絶縁膜8に接するp型半導体層33の溝6に対向する端部領域(チャネル領域)に反転層が形成され、エミッタ領域であるn型ソースコンタクト層34と耐圧保持層であるn型エピタキシャル層32とが電気的に接続される。これにより、エミッタ領域であるn型ソースコンタクト層34から耐圧保持層であるn型エピタキシャル層32に正孔が注入され、これに対応して基板31からバッファ層であるp型エピタキシャル層36を介して電子がn型エピタキシャル層32に供給される。その結果、IGBTがオン状態となり、n型エピタキシャル層32に伝導度変調が生じてエミッタ電極であるソース電極12-コレクタ電極であるドレイン電極14間の抵抗が低下した状態で電流が流れる。一方、ゲート電極9に印加される上記負の電圧が閾値以下の場合、上記チャネル領域に反転層が形成されないため、n型エピタキシャル層32とp型半導体層33との間が、逆バイアスの状態に維持される。その結果、IGBTがオフ状態となり、電流は流れない。   Next, the operation of the semiconductor device shown in FIG. 18 will be briefly described. Referring to FIG. 18, when a negative voltage is applied to gate electrode 9 and the negative voltage exceeds a threshold value, it opposes groove 6 of p-type semiconductor layer 33 in contact with gate insulating film 8 on the side of gate electrode 9. An inversion layer is formed in the end region (channel region), and the n-type source contact layer 34 as the emitter region and the n-type epitaxial layer 32 as the breakdown voltage holding layer are electrically connected. As a result, holes are injected from the n-type source contact layer 34 that is the emitter region into the n-type epitaxial layer 32 that is the breakdown voltage holding layer, and correspondingly, the substrate 31 passes through the p-type epitaxial layer 36 that is the buffer layer. Thus, electrons are supplied to the n-type epitaxial layer 32. As a result, the IGBT is turned on, conductivity modulation occurs in the n-type epitaxial layer 32, and a current flows in a state where the resistance between the source electrode 12 as the emitter electrode and the drain electrode 14 as the collector electrode is lowered. On the other hand, when the negative voltage applied to the gate electrode 9 is equal to or lower than the threshold value, an inversion layer is not formed in the channel region, so that a reverse bias state is present between the n-type epitaxial layer 32 and the p-type semiconductor layer 33. Maintained. As a result, the IGBT is turned off and no current flows.

図19〜図26を参照して、本発明による半導体装置の実施の形態3の製造方法を説明する。   With reference to FIGS. 19 to 26, a method of manufacturing the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention will be described.

まず、図19を参照して、炭化珪素からなる基板31の主表面上に、導電型がp型であって炭化珪素からなるp型エピタキシャル層36を形成する。そして、p型エピタキシャル層36上に導電型がn型である炭化珪素のn型エピタキシャル層32を形成する。当該n型エピタキシャル層32は耐圧保持層となる。p型エピタキシャル層36およびn型エピタキシャル層32を形成するためのエピタキシャル成長は、たとえば原料ガスとしてシラン(SiH4)とプロパン(C38)との混合ガスを用い、キャリアガスとしてたとえば水素ガス(H2)を用いたCVD法により実施することができる。また、このとき、導電型がp型の不純物としては、たとえばアルミニウム(Al)などを導入し、導電型がn型の不純物としてたとえば窒素(N)やリン(P)を導入することが好ましい。 First, referring to FIG. 19, p type epitaxial layer 36 of conductivity type p type and silicon carbide is formed on the main surface of substrate 31 made of silicon carbide. Then, an n-type epitaxial layer 32 of silicon carbide whose conductivity type is n-type is formed on p-type epitaxial layer 36. The n-type epitaxial layer 32 becomes a breakdown voltage holding layer. In the epitaxial growth for forming the p-type epitaxial layer 36 and the n-type epitaxial layer 32, for example, a mixed gas of silane (SiH 4 ) and propane (C 3 H 8 ) is used as a source gas, and a hydrogen gas ( It can be carried out by a CVD method using H 2 ). At this time, it is preferable to introduce, for example, aluminum (Al) or the like as an impurity having a p-type conductivity, and to introduce, for example, nitrogen (N) or phosphorus (P) as an n-type impurity.

次に、n型エピタキシャル層32の上部表面層にイオン注入を行なうことにより、p型半導体層33およびn型ソースコンタクト層34を形成する。p型半導体層33を形成するためのイオン注入においては、たとえばアルミニウム(Al)などの導電型がp型の不純物をイオン注入する。このとき、注入するイオンの加速エネルギーを調整することによりp型半導体層33が形成される領域の深さを調整することができる。   Next, ion implantation is performed on the upper surface layer of the n-type epitaxial layer 32 to form the p-type semiconductor layer 33 and the n-type source contact layer 34. In the ion implantation for forming the p-type semiconductor layer 33, for example, a p-type impurity such as aluminum (Al) is ion-implanted. At this time, the depth of the region where the p-type semiconductor layer 33 is formed can be adjusted by adjusting the acceleration energy of the implanted ions.

次に導電型がn型の不純物を、p型半導体層33が形成されたn型エピタキシャル層32へイオン注入することにより、n型ソースコンタクト層34を形成する。n型の不純物としてはたとえばリンなどを用いることができる。このようにして、図20に示す構造を得る。   Next, an n-type source contact layer 34 is formed by ion implantation of an n-type impurity of conductivity type into the n-type epitaxial layer 32 in which the p-type semiconductor layer 33 is formed. For example, phosphorus or the like can be used as the n-type impurity. In this way, the structure shown in FIG. 20 is obtained.

次に、図19に示すように、n型ソースコンタクト層34の上部表面上にマスク層17を形成する。マスク層17として、たとえばシリコン酸化膜などの絶縁膜を用いることができる。マスク層17の形成方法としては、図9において説明したマスク層17の製造方法と同様の方法を用いることができる。この結果、図21に示した溝16が形成されるべき領域に開口パターンを有するマスク層17が形成される。   Next, as shown in FIG. 19, a mask layer 17 is formed on the upper surface of the n-type source contact layer 34. As mask layer 17, for example, an insulating film such as a silicon oxide film can be used. As a method for forming the mask layer 17, a method similar to the method for manufacturing the mask layer 17 described in FIG. 9 can be used. As a result, a mask layer 17 having an opening pattern is formed in a region where the groove 16 shown in FIG. 21 is to be formed.

そして、このマスク層17をマスクとして用いて、n型ソースコンタクト層34、p型半導体層33およびn型エピタキシャル層32の一部をエッチングにより除去する。エッチングの方法などは、図9に示した工程と同様の方法を用いることができる。このようにして、図21に示す構造を得る。   Then, part of n-type source contact layer 34, p-type semiconductor layer 33, and n-type epitaxial layer 32 is removed by etching using mask layer 17 as a mask. As the etching method and the like, the same method as that shown in FIG. 9 can be used. In this way, the structure shown in FIG. 21 is obtained.

次に、n型エピタキシャル層32、p型半導体層33およびn型ソースコンタクト層34において所定の結晶面を表出させる熱エッチング工程を実施する。この熱エッチング工程の条件は、図10を参照して説明した熱エッチング工程の条件と同様の条件を用いることができる。この結果、図22に示すように基板31の主表面に対して傾斜した側面20を有する溝6を形成することができる。なお、この側面20に表出する結晶面の面方位は{0−33−8}となっている。このようにして、図22に示すような構造を得る。   Next, a thermal etching process for exposing a predetermined crystal plane in the n-type epitaxial layer 32, the p-type semiconductor layer 33, and the n-type source contact layer 34 is performed. The conditions for this thermal etching step can be the same as the conditions for the thermal etching step described with reference to FIG. As a result, the groove 6 having the side surface 20 inclined with respect to the main surface of the substrate 31 can be formed as shown in FIG. The plane orientation of the crystal plane appearing on the side surface 20 is {0-33-8}. In this way, a structure as shown in FIG. 22 is obtained.

次に、マスク層17をエッチングなど任意の方法により除去する。その後、図11に示した工程と同様に、溝6の内部からn型ソースコンタクト層34の上部表面上にまで延在するように、所定のパターンを有するレジスト膜(図示せず)を、フォトリソグラフィ法を用いて形成する。レジスト膜としては、溝6の底部およびn型ソースコンタクト層34の上部表面の一部に開口パターンが形成されているものを用いる。そして、このレジスト膜をマスクとして用いて、導電型がp型の不純物をイオン注入することにより、溝6の底部に電界緩和領域7を形成し、n型ソースコンタクト層34の一部領域に導電型がp型のコンタクト領域35を形成する。その後レジスト膜を除去する。この結果、図23に示すような構造を得る。   Next, the mask layer 17 is removed by an arbitrary method such as etching. Thereafter, similarly to the process shown in FIG. 11, a resist film (not shown) having a predetermined pattern is applied to the photo resist so as to extend from the inside of the trench 6 to the upper surface of the n-type source contact layer 34. It is formed using a lithography method. As the resist film, a resist film having an opening pattern formed at the bottom of the groove 6 and a part of the upper surface of the n-type source contact layer 34 is used. Then, using this resist film as a mask, an impurity of p-type conductivity is ion-implanted to form an electric field relaxation region 7 at the bottom of the trench 6 and conductive in a partial region of the n-type source contact layer 34. A contact region 35 of p type is formed. Thereafter, the resist film is removed. As a result, a structure as shown in FIG. 23 is obtained.

そして、上述したイオン注入により注入された不純物を活性化するための活性化アニール工程を実施する。この活性化アニール工程においては、すでに説明した本発明の実施の形態1、2の場合と同様に、炭化珪素からなるエピタキシャル層の表面(具体的には溝6の側面20上)に特に保護膜(キャップ層)を形成することなくアニール処理を実施する。また、たとえばn型ソースコンタクト層34およびp型のコンタクト領域35の上部表面上のみにキャップ層を設けた構成として、活性化アニール処理を実施してもよい。   Then, an activation annealing step for activating the impurities implanted by the above-described ion implantation is performed. In this activation annealing step, a protective film is particularly formed on the surface of the epitaxial layer made of silicon carbide (specifically, on the side surface 20 of the groove 6) as in the case of the first and second embodiments of the present invention already described. Annealing is performed without forming a (cap layer). Further, for example, the activation annealing process may be performed by providing a cap layer only on the upper surfaces of the n-type source contact layer 34 and the p-type contact region 35.

次に、図24に示すように、溝6の内部からn型ソースコンタクト層4およびp型のコンタクト領域5の上部表面上にまで延在するようにゲート絶縁膜8を形成する。ゲート絶縁膜8の材質や形成方法は、図13におけるゲート絶縁膜8の材質や形成方法と同様である。このようにして、図24に示す構造を得る。   Next, as shown in FIG. 24, gate insulating film 8 is formed so as to extend from the inside of trench 6 to the upper surfaces of n-type source contact layer 4 and p-type contact region 5. The material and forming method of the gate insulating film 8 are the same as the material and forming method of the gate insulating film 8 in FIG. In this way, the structure shown in FIG. 24 is obtained.

次に、図25に示すように、溝6の内部を充填するように、ゲート絶縁膜8上にゲート電極9を形成する。ゲート電極9の形成方法としては、図14に示したゲート電極9の形成方法と同様の形成方法を用いることができる。このようにして、図25に示す構造を得る。   Next, as shown in FIG. 25, a gate electrode 9 is formed on the gate insulating film 8 so as to fill the inside of the trench 6. As a formation method of the gate electrode 9, a formation method similar to the formation method of the gate electrode 9 shown in FIG. 14 can be used. In this way, the structure shown in FIG. 25 is obtained.

次に、ゲート電極9の上部表面、およびp型のコンタクト領域35上において露出しているゲート絶縁膜8の上部表面上を覆うように層間絶縁膜10(図26参照)を形成する。層間絶縁膜10としては、絶縁性を有する材料であれば任意の材料を用いることができる。そして、図15に示した工程と同様に、層間絶縁膜10およびゲート絶縁膜8には開口部11(図26参照)が形成される。当該開口部11の形成方法は、図15における開口部の形成方法と同様である。この開口部11の底部においては、p型のコンタクト領域35およびn型ソースコンタクト層34の一部が露出した状態となる。   Next, interlayer insulating film 10 (see FIG. 26) is formed so as to cover the upper surface of gate electrode 9 and the upper surface of gate insulating film 8 exposed on p-type contact region 35. Any material can be used for the interlayer insulating film 10 as long as it is an insulating material. Similarly to the process shown in FIG. 15, an opening 11 (see FIG. 26) is formed in the interlayer insulating film 10 and the gate insulating film 8. The method for forming the opening 11 is the same as the method for forming the opening in FIG. At the bottom of the opening 11, the p-type contact region 35 and the n-type source contact layer 34 are partially exposed.

その後、図15において説明した方法と同様の方法を用いて、開口部11の内部に充填された導電体膜によりソース電極12を形成する。このソース電極12はp型のコンタクト領域35およびn型ソースコンタクト層34とオーミック接触したオーミック電極である。   Thereafter, the source electrode 12 is formed from the conductive film filled in the opening 11 by using a method similar to the method described in FIG. The source electrode 12 is an ohmic electrode in ohmic contact with the p-type contact region 35 and the n-type source contact layer 34.

また、基板31の裏面側(n型エピタキシャル層32が形成された主表面と反対側の表面側)に、ドレイン電極14(図26参照)を形成する。ドレイン電極14としては、基板1とオーミック接触が可能な材料であれば任意の材料を用いることができる。このようにして、図26に示す構造を得る。   Further, the drain electrode 14 (see FIG. 26) is formed on the back surface side of the substrate 31 (surface side opposite to the main surface on which the n-type epitaxial layer 32 is formed). As the drain electrode 14, any material can be used as long as it can make ohmic contact with the substrate 1. In this way, the structure shown in FIG. 26 is obtained.

その後、ソース電極12の上部表面に接触するとともに、層間絶縁膜10の上部表面上に延在するソース配線電極13(図15参照)、およびドレイン電極14の表面に形成された裏面保護電極15(図15参照)をそれぞれスパッタリング法などの任意の方法を用いて形成する。この結果、図18に示す半導体装置を得ることができる。   Thereafter, the upper surface of the source electrode 12 is contacted, and the source wiring electrode 13 (see FIG. 15) extending on the upper surface of the interlayer insulating film 10 and the back surface protection electrode 15 (formed on the surface of the drain electrode 14) 15) are formed by using an arbitrary method such as a sputtering method. As a result, the semiconductor device shown in FIG. 18 can be obtained.

(参考例)
図27を参照して、本発明による半導体装置の参考例を説明する。
(Reference example)
A reference example of the semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIG.

図27を参照して、本発明の参考例である半導体装置は、PiNダイオードであって、炭化珪素からなる基板1と、導電型がn型であって、基板1における導電性不純物の濃度よりも低い導電性不純物濃度を有し、表面にリッジ構造を有するn-エピタキシャル層42と、n-エピタキシャル層42の表面に形成されたリッジ構造44中に形成され、n-エピタキシャル層42と接続されたp+半導体層43と、リッジ構造44の周囲に形成されたガードリング45とを備える。基板1は、炭化珪素からなり、導電型がn型である。n-エピタキシャル層42は、基板1の主表面上に形成されている。n-エピタキシャル層42の表面には、側面20が基板1の主表面に対して傾斜しているリッジ構造44が形成されている。リッジ構造44の上部表面を含む層には導電型がp型であるp+半導体層43が形成されている。このリッジ構造44の周囲を取囲むように、導電型がp型の領域であるガードリング45が形成されている。ガードリング45は、リッジ構造44を囲むように環状に形成されている。リッジ構造44の側面20は、特定の結晶面(たとえば{0−33−8}面)により構成されている。つまり、リッジ構造44は、上述した特定の結晶面({0−33−8}面)と等価な6つの面によって構成されている。このため、リッジ構造44の上部表面や底部の平面形状は六角形状となっている。 Referring to FIG. 27, a semiconductor device which is a reference example of the present invention is a PiN diode, and includes a substrate 1 made of silicon carbide, an n-type conductivity, and a concentration of conductive impurities in substrate 1. an epitaxial layer 42, n - - have a low conductivity impurity concentration, n having a ridge structure on the surface is formed in the ridge structure 44 formed on the surface of the epitaxial layer 42, n - is connected to the epitaxial layer 42 The p + semiconductor layer 43 and a guard ring 45 formed around the ridge structure 44 are provided. Substrate 1 is made of silicon carbide and has n type conductivity. N epitaxial layer 42 is formed on the main surface of substrate 1. On the surface of n epitaxial layer 42, a ridge structure 44 in which side surface 20 is inclined with respect to the main surface of substrate 1 is formed. In the layer including the upper surface of the ridge structure 44, a p + semiconductor layer 43 having a p-type conductivity is formed. A guard ring 45 having a p-type conductivity region is formed so as to surround the ridge structure 44. The guard ring 45 is formed in an annular shape so as to surround the ridge structure 44. The side surface 20 of the ridge structure 44 is constituted by a specific crystal plane (for example, {0-33-8} plane). That is, the ridge structure 44 is composed of six planes equivalent to the specific crystal plane ({0-33-8} plane) described above. For this reason, the planar shape of the upper surface and the bottom of the ridge structure 44 is a hexagonal shape.

このような構造の半導体装置においても、リッジ構造44の側面20が図5に示した溝6の側面20と同様に安定な結晶面となっていることから、他の結晶面が当該側面20となっている場合より、当該側面20からのリーク電流を十分低減できる。   Also in the semiconductor device having such a structure, the side surface 20 of the ridge structure 44 is a stable crystal plane similarly to the side surface 20 of the groove 6 shown in FIG. Therefore, the leakage current from the side surface 20 can be sufficiently reduced.

次に、図27に示した半導体装置の製造方法を説明する。図27に示した半導体装置の製造方法としては、まず炭化珪素からなる基板1を準備する。基板1としてはたとえば結晶型が六方晶の炭化珪素からなる基板を用いる。この基板1の主表面上にエピタキシャル成長法を用いてn-エピタキシャル層42を形成する。このn-エピタキシャル層42の表面層に導電型がp型の不純物をイオン注入することにより、p+半導体層43となるべきp型の半導体層を形成する。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 27 will be described. As a method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 27, first, a substrate 1 made of silicon carbide is prepared. As the substrate 1, for example, a substrate made of silicon carbide having a crystal type of hexagonal crystal is used. An n epitaxial layer 42 is formed on the main surface of substrate 1 using an epitaxial growth method. A p-type semiconductor layer to be the p + semiconductor layer 43 is formed by ion-implanting a p-type impurity into the surface layer of the n epitaxial layer 42.

その後、リッジ構造44(図27参照)となるべき領域にシリコン酸化膜からなる島状のマスクパターンを形成する。このマスクパターンの平面形状はたとえば六角形状としてもよいが、他の任意の形状(たとえば丸や四角など)としてもよい。そして、このマスクパターンが形成された状態で、p+半導体層43およびn-エピタキシャル層42を部分的にエッチングにより除去する。この結果、マスクパターンの下にリッジ構造44となるべき凸部が形成された状態となる。 Thereafter, an island-shaped mask pattern made of a silicon oxide film is formed in a region to be the ridge structure 44 (see FIG. 27). The planar shape of the mask pattern may be a hexagonal shape, for example, but may be any other shape (for example, a circle or a square). Then, with this mask pattern formed, p + semiconductor layer 43 and n epitaxial layer 42 are partially removed by etching. As a result, a convex portion to be the ridge structure 44 is formed under the mask pattern.

そして、上述した本発明の実施の形態2における図9に示した工程と同様に熱エッチング工程を実施することにより、凸部の側面をエッチングにより除去し、図27に示した傾斜する側面20を得る。その後、マスクパターンを除去する。さらに、全体を覆うように所定のパターンを有するレジスト膜を形成する。当該レジスト膜には、ガードリング45となるべき領域に開口パターンが形成されている。このレジスト膜をマスクとして用いて、n-エピタキシャル層42に導電型がp型の不純物を注入することにより、ガードリング45を形成する。その後、レジスト膜を除去する。そして、ガードリング45を形成するための上記イオン注入後に、活性化アニール処理を行なう、当該活性化アニール処理においては、少なくとも側面20を覆うようなキャップ層を形成することなく加熱処理を行なってもよい。この結果、図27に示す半導体装置を得ることができる。 Then, by performing the thermal etching process in the same manner as the process shown in FIG. 9 in the second embodiment of the present invention described above, the side surface of the convex portion is removed by etching, and the inclined side surface 20 shown in FIG. obtain. Thereafter, the mask pattern is removed. Further, a resist film having a predetermined pattern is formed so as to cover the whole. In the resist film, an opening pattern is formed in a region to be the guard ring 45. Using this resist film as a mask, a p-type impurity is implanted into n epitaxial layer 42 to form guard ring 45. Thereafter, the resist film is removed. Then, activation annealing is performed after the ion implantation for forming the guard ring 45. In the activation annealing, heat treatment may be performed without forming a cap layer covering at least the side surface 20. Good. As a result, the semiconductor device shown in FIG. 27 can be obtained.

次に、図28を参照して、図27に示した半導体装置の変形例を説明する。
図28に示した半導体装置は、本発明による半導体装置となっており、基本的には図27に示した半導体装置と同様の構造を備えるが、ガードリング45(図27参照)に代えてJTE(Junction Termination Extension)領域46が形成されている点が異なる。JTE領域46は、導電型がp型の領域である。このようなJTE領域46も、図27に示したガードリング45と同様にイオン注入および活性化アニールを実施することにより形成することができる。そして、図27に示した半導体装置の製造方法と同様に、図28に示した半導体装置の製造方法においても、JTE領域46を形成するためのイオン注入後の活性化アニール処理においては、少なくとも側面20を覆うようなキャップ層を形成することなく活性化アニール処理を実施する。このようにしても、側面20は安定な結晶面(たとえば{0−33−8}面)によって構成されているため、当該活性アニールによっても側面20の表面が荒れるといった問題は発生しない。また、上記図27および図28に示したガードリング45および/またはJET構造は、先に説明した本発明による半導体装置の実施の形態1〜実施の形態3に適用することもできる。
Next, a modification of the semiconductor device shown in FIG. 27 will be described with reference to FIG.
The semiconductor device shown in FIG. 28 is a semiconductor device according to the present invention, and basically has the same structure as that of the semiconductor device shown in FIG. 27, but is replaced with a JTE instead of the guard ring 45 (see FIG. 27). (Junction Termination Extension) Region 46 is different. The JTE region 46 is a region having a p-type conductivity. Such a JTE region 46 can also be formed by performing ion implantation and activation annealing in the same manner as the guard ring 45 shown in FIG. Similarly to the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 27, in the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 28, at least the side surface in the activation annealing process after ion implantation for forming the JTE region 46 is performed. The activation annealing process is performed without forming a cap layer that covers 20. Even in this case, since the side surface 20 is constituted by a stable crystal plane (for example, {0-33-8} plane), the problem that the surface of the side surface 20 is roughened by the active annealing does not occur. Further, the guard ring 45 and / or the JET structure shown in FIGS. 27 and 28 can be applied to the first to third embodiments of the semiconductor device according to the present invention described above.

上述した実施の形態と一部重複する部分もあるが、本発明の特徴的な構成を以下に列挙する。   Although there is a part which overlaps with embodiment mentioned above, the characteristic structure of this invention is enumerated below.

本発明に従った半導体装置の製造方法は、実質的に{0−33−8}面を含む表面を有する炭化珪素層(耐圧保持層2、n型エピタキシャル層32およびn-エピタキシャル層42)が主表面上に形成された基板を準備する工程(図2の工程(S10)および工程(S20))と、炭化珪素層に導電性不純物を注入する工程(図2の工程(S30))と、注入された導電性不純物を活性化するための熱処理を行なう工程(図2の工程(S40))とを備える。熱処理を行なう工程(S40)では、炭化珪素層の表面が熱処理を行なうための雰囲気ガスに露出した状態になっている。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a silicon carbide layer (withstand voltage holding layer 2, n-type epitaxial layer 32, and n epitaxial layer 42) having a surface substantially including a {0-33-8} plane is provided. A step of preparing a substrate formed on the main surface (step (S10) and step (S20) in FIG. 2), a step of injecting conductive impurities into the silicon carbide layer (step (S30) in FIG. 2), And a step of performing a heat treatment for activating the implanted conductive impurities (step (S40) in FIG. 2). In the heat treatment step (S40), the surface of the silicon carbide layer is exposed to the atmospheric gas for heat treatment.

このようにすれば、炭化珪素層に対するイオン注入後の活性化アニール時に保護膜(キャップ層)を形成する必要が無いため、保護膜を形成する場合より半導体装置の製造工程を簡略化できる。したがって、半導体装置の製造コストを低減することができる。   In this way, it is not necessary to form a protective film (cap layer) during activation annealing after ion implantation for the silicon carbide layer, so that the manufacturing process of the semiconductor device can be simplified as compared with the case of forming the protective film. Therefore, the manufacturing cost of the semiconductor device can be reduced.

上記半導体装置の製造方法において、基板を準備する工程は、炭化珪素層において基板の主表面に対して傾斜した端面(側面20)を形成する工程(図9、図10、図16、図17に示す工程)を含んでいてもよい。側面20は実質的に{0−33−8}面を含む表面となっていてもよい。ここで、上記{0−33−8}面を主表面として炭化珪素層をエピタキシャル成長させることは比較的難しい。一方、基板1に形成される炭化珪素層について、主表面の面方位が(0001)面に対して微小な角度(たとえば8°程度)のオフ角を有するようにして、炭化珪素層のエピタキシャル成長を行なうことは技術的にもある程度確立されている。そして、このような炭化珪素層を加工することで上記{0−33−8}面となっている端面を形成すれば、比較的容易に上記{0−33−8}面を表面(側面20)として含む炭化珪素層を得ることができる。   In the semiconductor device manufacturing method, the step of preparing the substrate is a step of forming an end surface (side surface 20) inclined with respect to the main surface of the substrate in the silicon carbide layer (FIGS. 9, 10, 16, and 17). Steps shown) may be included. The side surface 20 may be a surface substantially including a {0-33-8} plane. Here, it is relatively difficult to epitaxially grow the silicon carbide layer with the {0-33-8} plane as the main surface. On the other hand, with respect to the silicon carbide layer formed on substrate 1, the silicon carbide layer is epitaxially grown so that the plane orientation of the main surface has an off angle of a minute angle (for example, about 8 °) with respect to the (0001) plane. It is well established technically to some extent. And if the end surface which becomes said {0-33-8} surface is formed by processing such a silicon carbide layer, said {0-33-8} surface will be surface (side 20) comparatively easily. ) Can be obtained.

また、本発明に従った半導体装置は、主表面を有する基板1と、当該基板1の主表面上に形成され、主表面に対して傾斜した端面(側面20)を含む炭化珪素層(図6の耐圧保持層2、半導体層3、n型ソースコンタクト層4、およびp型のコンタクト領域5、あるいは図18のn型エピタキシャル層32、p型半導体層33、n型ソースコンタクト層34、p型のコンタクト領域35およびn-エピタキシャル層42)とを備える。側面20は実質的に{0−33−8}面を含む。また、側面20は導電性不純物の注入領域(イオン注入領域)を含む。また、側面20はチャネル領域を含んでいてもよい。上記側面20は複数形成されていてもよい。当該複数の側面20はいずれも実質的に{0−33−8}面と等価な面により構成されていてもよい。 A semiconductor device according to the present invention includes a substrate 1 having a main surface and a silicon carbide layer formed on the main surface of the substrate 1 and including an end surface (side surface 20) inclined with respect to the main surface (FIG. 6). The breakdown voltage holding layer 2, the semiconductor layer 3, the n-type source contact layer 4, and the p-type contact region 5, or the n-type epitaxial layer 32, the p-type semiconductor layer 33, the n-type source contact layer 34, and the p-type in FIG. Contact region 35 and n epitaxial layer 42). The side surface 20 substantially includes a {0-33-8} plane. The side surface 20 includes a conductive impurity implantation region (ion implantation region). The side surface 20 may include a channel region. A plurality of the side surfaces 20 may be formed. Each of the plurality of side surfaces 20 may be configured by a surface substantially equivalent to the {0-33-8} plane.

このようにすれば、上記側面20に対するイオン注入を行なった後の活性化アニールでは、とくに保護膜を形成することなく当該活性化アニールを実施できるため、製造コストの抑制された半導体装置を得ることができる。   In this way, since the activation annealing can be performed without forming a protective film in the activation annealing after ion implantation is performed on the side surface 20, a semiconductor device with reduced manufacturing costs can be obtained. Can do.

また、炭化珪素層の側面20が実質的に上記{0−33−8}面になっているため、これらのいわゆる半極性面となっている側面20をイオン注入領域にすることで、当該イオン注入領域を半導体装置のたとえばチャネル領域(能動領域)として利用することができる。ここで、上記側面20は安定な結晶面であって高いチャネル移動度が得られる。そのため、当該側面20をイオン注入することにより構成されるチャネル領域に利用した場合、他の結晶面(たとえば(0001)面)をチャネル領域に利用した場合より、高いチャネル移動度を示す高品質の半導体装置を実現できる。また、側面20が実質的に{0−33−8}面を含むため、当該端面の結晶方位が当該{0−33−8}面に対してずれた場合のように側面20にステップ(段差)が多数存在し、チャネル移動度が低下するといった問題の発生を抑制できる。   Further, since the side surface 20 of the silicon carbide layer is substantially the above-described {0-33-8} plane, the side surface 20 which is a so-called semipolar plane is used as an ion implantation region, so that the ion The implantation region can be used as a channel region (active region) of the semiconductor device, for example. Here, the side surface 20 is a stable crystal surface, and high channel mobility can be obtained. Therefore, when the side surface 20 is used for a channel region configured by ion implantation, a higher quality that exhibits higher channel mobility than when other crystal planes (for example, (0001) plane) are used for the channel region. A semiconductor device can be realized. Further, since the side surface 20 substantially includes the {0-33-8} plane, a step (step difference) is formed on the side surface 20 as in the case where the crystal orientation of the end surface is deviated from the {0-33-8} plane. ) Exist in large numbers, and the occurrence of problems such as a decrease in channel mobility can be suppressed.

上記半導体装置において、炭化珪素層は、基板1と対向する面と反対側に位置する主表面において、上記側面20が側面を構成する複数のメサ構造を含んでいてもよい。複数のメサ構造の間に位置し、側面20と連なる炭化珪素層の表面部分(溝6の底部)が実質的に{000−1}面となっていてもよい。なお、ここで当該表面部分が実質的に{000−1}面であるとは、当該表面部分を構成する結晶面が{000−1}面となっている場合、および表面部分を構成する結晶面について、<1−100>方向における{000−1}面に対するオフ角が−3°以上3°以下の面となっていることを意味する。また、上記オフ角は−1°以上11°以下であることが好ましく、また、表面部分を構成する結晶面は{000−1}面となっていることがより好ましい。   In the semiconductor device, the silicon carbide layer may include a plurality of mesa structures in which the side surface 20 forms a side surface on the main surface located on the opposite side to the surface facing the substrate 1. A surface portion (bottom portion of groove 6) of the silicon carbide layer located between the plurality of mesa structures and continuous with side surface 20 may be substantially a {000-1} plane. Here, the surface portion is substantially a {000-1} plane when the crystal plane constituting the surface portion is the {000-1} plane and the crystal constituting the surface portion. It means that the surface is a surface having an off angle of -3 ° or more and 3 ° or less with respect to the {000-1} surface in the <1-100> direction. The off-angle is preferably −1 ° or more and 11 ° or less, and the crystal plane constituting the surface portion is more preferably a {000-1} plane.

この場合、メサ構造の間の上記表面部分も、安定な{000−1}面(いわゆるジャスト面)となっているので、上述した活性化アニールなどの熱処理時に、当該表面部分を保護するキャップ層を形成しなくても、当該熱処理により上記表面部分やメサ構造の上部表面はほとんど荒れない。そのため、活性化アニールなどの熱処理のため、表面部分上にキャップ層を形成する工程を省略できる。   In this case, since the surface portion between the mesa structures is also a stable {000-1} plane (so-called just surface), the cap layer that protects the surface portion during the heat treatment such as the activation annealing described above. Even without forming, the surface portion and the upper surface of the mesa structure are hardly roughened by the heat treatment. Therefore, the step of forming a cap layer on the surface portion can be omitted for heat treatment such as activation annealing.

上記半導体装置では、複数のメサ構造において側面20と連なる上部表面の平面形状が図5や図12に示すように六角形であってもよく、複数のメサ構造は、少なくとも3つのメサ構造を含んでいてもよい。複数のメサ構造は、平面視したときの中心を結んだ線分により正三角形が形成されるように配置されていてもよい。この場合、メサ構造を最も稠密に配置することができるので、1つの基板1、31により多くのメサ構造を形成できる。このため、メサ構造を利用した半導体装置を、1つの基板1、31から極力多く形成することができる。   In the semiconductor device, the planar shape of the upper surface continuous with the side surface 20 in the plurality of mesa structures may be hexagonal as shown in FIG. 5 and FIG. 12, and the plurality of mesa structures include at least three mesa structures. You may go out. The plurality of mesa structures may be arranged such that an equilateral triangle is formed by a line segment connecting the centers when viewed in plan. In this case, since the mesa structure can be arranged most densely, more mesa structures can be formed on one substrate 1 and 31. For this reason, as many semiconductor devices as possible using the mesa structure can be formed from one substrate 1, 31.

上記半導体装置において、図5や図12などに示すメサ構造の上部表面が実質的に{000−1}面となっていてもよい。この場合、メサ構造の上部表面も、安定な{000−1}面(いわゆるジャスト面)となっているので、上述した活性化アニールなどの熱処理時に、当該メサ構造の上部表面を保護するキャップ層を形成しなくても、当該熱処理によりメサ構造の上部表面はほとんど荒れない。したがって、活性化アニールなどの熱処理のためメサ構造の上部表面上にキャップ層を形成する工程を省略できる。   In the semiconductor device, the upper surface of the mesa structure shown in FIGS. 5 and 12 or the like may be substantially a {000-1} plane. In this case, since the upper surface of the mesa structure is also a stable {000-1} plane (so-called just plane), the cap layer that protects the upper surface of the mesa structure during the heat treatment such as the activation annealing described above. Even without forming, the upper surface of the mesa structure is hardly roughened by the heat treatment. Therefore, the step of forming a cap layer on the upper surface of the mesa structure for heat treatment such as activation annealing can be omitted.

上記半導体装置または半導体装置の製造方法において、熱処理を行なう工程の後における炭化珪素層の表面である側面20の表面粗さは、JIS B0601に規定する二乗平均平方根粗さ(Rq:旧RMS)で10nm以下となっていてもよい。この場合、側面20の表面荒れに起因する不良の発生を抑制することができる。   In the semiconductor device or the method for manufacturing a semiconductor device, the surface roughness of the side surface 20 that is the surface of the silicon carbide layer after the heat treatment step is a root mean square roughness (Rq: old RMS) defined in JIS B0601. It may be 10 nm or less. In this case, it is possible to suppress the occurrence of defects due to the surface roughness of the side surface 20.

上記半導体装置は、図6や図18に示すように、メサ構造の上部表面上に形成されたソース電極12と、複数のメサ構造の間に形成されたゲート電極9とを備えていてもよい。この場合、ソース電極12やゲート電極9が比較的形成しやすい位置に配置されることになるので、当該半導体装置の製造工程が複雑化することを抑制できる。   As shown in FIGS. 6 and 18, the semiconductor device may include a source electrode 12 formed on the upper surface of the mesa structure and a gate electrode 9 formed between the plurality of mesa structures. . In this case, since the source electrode 12 and the gate electrode 9 are disposed at positions that are relatively easy to form, it is possible to suppress the manufacturing process of the semiconductor device from becoming complicated.

上記半導体装置は、複数のメサ構造の間に形成された電界緩和領域7をさらに備えていてもよい。この場合、基板1、31の裏面側(基板1、31において炭化珪素が形成された主表面と反対側の裏面側)にドレイン電極14を形成したときに、当該電界緩和領域7が存在することでメサ構造の間の電極(たとえばゲート電極9)とドレイン電極14との間の耐圧を高めることができる。   The semiconductor device may further include an electric field relaxation region 7 formed between a plurality of mesa structures. In this case, the electric field relaxation region 7 exists when the drain electrode 14 is formed on the back side of the substrates 1 and 31 (the back side opposite to the main surface where silicon carbide is formed on the substrates 1 and 31). Thus, the breakdown voltage between the electrode (for example, the gate electrode 9) and the drain electrode 14 between the mesa structures can be increased.

この発明に従った半導体装置の製造方法は、図8や図20に示す主表面上に炭化珪素層が形成された基板1、31を準備する工程と、図7および図8、あるいは図21および図22に示すように炭化珪素層において、基板1、31の主表面に対して傾斜した端面(側面20)を形成する工程と、側面20上に絶縁膜(ゲート絶縁膜8)を形成する工程と、ゲート絶縁膜8上にゲート電極9を形成する工程とを備える。端面を形成する工程では、当該端面(側面20)が実質的に{0−33−8}面を含むように形成される。このようにすれば、本発明による半導体装置を容易に製造することができる。   A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of preparing substrates 1 and 31 having a silicon carbide layer formed on the main surface shown in FIGS. 8 and 20, and FIGS. 7 and 8 or FIG. As shown in FIG. 22, in the silicon carbide layer, a step of forming an end surface (side surface 20) inclined with respect to the main surfaces of the substrates 1, 31 and a step of forming an insulating film (gate insulating film 8) on the side surface 20. And a step of forming a gate electrode 9 on the gate insulating film 8. In the step of forming the end surface, the end surface (side surface 20) is formed so as to substantially include the {0-33-8} surface. In this way, the semiconductor device according to the present invention can be easily manufactured.

上記半導体装置の製造方法において、端面を形成する工程では、炭化珪素層において、基板1、31と対向する面と反対側に位置する主表面に、端面(側面20)が側面を構成する複数のメサ構造が形成されてもよい。この場合、メサ構造の側面20が実質的に{0−33−8}面を含むため、当該側面20をチャネル領域に利用したMOSFETやIGBTなどを容易に形成することができる。なお、上記半導体装置の製造方法は、図15や図26に示すようにメサ構造の上部表面上にソース電極12を形成する工程をさらに備えていてもよい。   In the semiconductor device manufacturing method, in the step of forming the end surface, a plurality of end surfaces (side surfaces 20) form side surfaces on the main surface of the silicon carbide layer located on the opposite side of the surface facing the substrates 1 and 31. A mesa structure may be formed. In this case, since the side surface 20 of the mesa structure substantially includes the {0-33-8} plane, a MOSFET, an IGBT, or the like using the side surface 20 as a channel region can be easily formed. The semiconductor device manufacturing method may further include a step of forming the source electrode 12 on the upper surface of the mesa structure as shown in FIGS.

上記半導体装置の製造方法において、端面を形成する工程では、図12などに示すように上部表面の平面形状が六角形であるメサ構造が形成されてもよい。この場合、メサ構造の上記側面20を、実質的に{0−33−8}面のみによって構成することができる。このため、メサ構造の外周の側面20すべてをチャネル領域として利用して、半導体装置の集積度を向上させることができる。   In the semiconductor device manufacturing method, in the step of forming the end face, a mesa structure in which the planar shape of the upper surface is a hexagon may be formed as shown in FIG. In this case, the side surface 20 of the mesa structure can be substantially constituted only by the {0-33-8} plane. For this reason, the integration degree of the semiconductor device can be improved by using all of the outer peripheral side surface 20 of the mesa structure as a channel region.

上記半導体装置の製造方法において、端面を形成する工程は、図9や図21に示すようにマスク層17を形成する工程と、図9および図10または図21および図22に示すようにメサ構造を形成する工程とを含んでいてもよい。マスク層17を形成する工程では、炭化珪素層の主表面上に、平面形状が六角形状である複数のマスク層17を形成してもよい。メサ構造を形成する工程では、上記マスク層17をマスクとして用いて、上部表面の平面形状が六角形のメサ構造を形成してもよい。この場合、マスク層17のパターンの位置によって、形成されるメサ構造の位置(つまり側面20の位置)を制御することができる。このため、形成される半導体装置のレイアウトの自由度を高めることができる。   In the semiconductor device manufacturing method, the step of forming the end face includes the step of forming the mask layer 17 as shown in FIGS. 9 and 21, and the mesa structure as shown in FIGS. 9 and 10 or FIGS. Forming the step. In the step of forming mask layer 17, a plurality of mask layers 17 having a hexagonal planar shape may be formed on the main surface of the silicon carbide layer. In the step of forming a mesa structure, the mask layer 17 may be used as a mask to form a mesa structure having a hexagonal planar shape on the upper surface. In this case, the position of the mesa structure to be formed (that is, the position of the side surface 20) can be controlled by the pattern position of the mask layer 17. For this reason, the freedom degree of the layout of the semiconductor device formed can be raised.

上記半導体装置の製造方法において、端面を形成する工程は、図9および図10または図21および図22に示すように、マスク層17を形成する工程と、凹部(図9や図21の溝16)を形成する工程と、図10や図22に示すメサ構造を形成する工程とを含んでいてもよい。マスク層17を形成する工程では、炭化珪素層の主表面上に、互いに間隔を隔てて、平面形状が六角形状である複数のマスク層17を形成してもよい。凹部(溝16)を形成する工程では、上記マスク層17をマスクとして用いて、複数のマスク層17の間において露出する炭化珪素層を部分的に除去することにより、炭化珪素層の主表面に凹部(溝16)を形成してもよい。メサ構造を形成する工程では、溝16の側壁を部分的に除去することにより、上部表面の平面形状が六角形のメサ構造を形成してもよい。この場合、メサ構造を形成するために溝16の側壁を部分的に除去する(たとえば熱エッチングする)時間を、マスク層17をマスクとして炭化珪素層に溝16を予め形成しない場合より短くできる。   In the manufacturing method of the semiconductor device, the step of forming the end face includes the step of forming the mask layer 17 and the recess (the groove 16 in FIGS. 9 and 21 as shown in FIGS. 9 and 10 or FIGS. 21 and 22). ) And a step of forming the mesa structure shown in FIGS. 10 and 22 may be included. In the step of forming mask layer 17, a plurality of mask layers 17 having a hexagonal planar shape may be formed on the main surface of the silicon carbide layer at intervals from each other. In the step of forming the recess (groove 16), by using the mask layer 17 as a mask, the silicon carbide layer exposed between the plurality of mask layers 17 is partially removed to form the main surface of the silicon carbide layer. A recess (groove 16) may be formed. In the step of forming the mesa structure, the mesa structure in which the planar shape of the upper surface is a hexagon may be formed by partially removing the side wall of the groove 16. In this case, the time for partially removing the side wall of groove 16 (for example, thermal etching) to form the mesa structure can be made shorter than when groove 16 is not previously formed in the silicon carbide layer using mask layer 17 as a mask.

上記半導体装置の製造方法において、端面を形成する工程では、メサ構造の側面20を自己形成的に形成してもよい。具体的には、炭化珪素層に対して所定の条件のエッチング(たとえば、酸素と塩素との混合ガスを反応ガスとして、加熱温度を700℃以上1200℃以下とした熱エッチング)を行なうことで、当該エッチングにおけるエッチング速度の最も遅い面である上記{0−33−8}面を自己形成的に表出させてもよい。あるいは、図16に示すように、側面20となるべき面を通常のエッチングにより形成した後、当該面上に珪素膜(Si被膜21)を形成し、当該Si被膜21が存在する状態で炭化珪素層を加熱することで、当該面上にSiC再構成層22を形成し、結果的に上記{0−33−8}面を形成してもよい。この場合、側面20において上記{0−33−8}面を安定して形成することができる。   In the method for manufacturing a semiconductor device, in the step of forming the end face, the side face 20 of the mesa structure may be formed in a self-forming manner. Specifically, by performing etching under predetermined conditions on the silicon carbide layer (for example, thermal etching with a mixed gas of oxygen and chlorine as a reaction gas and a heating temperature of 700 ° C. or more and 1200 ° C. or less), The {0-33-8} plane which is the slowest etching speed in the etching may be self-formed. Alternatively, as shown in FIG. 16, after a surface to be the side surface 20 is formed by normal etching, a silicon film (Si film 21) is formed on the surface, and silicon carbide is present in a state where the Si film 21 exists. By heating the layer, the SiC reconstruction layer 22 may be formed on the surface, and as a result, the {0-33-8} surface may be formed. In this case, the {0-33-8} plane can be stably formed on the side surface 20.

上記半導体装置の製造方法において、端面を形成する工程では、メサ構造の側面20と、複数のメサ構造の間に位置し、側面20と連なる炭化珪素層の表面部分(溝6の底壁)とを自己形成的に形成してもよい。具体的には、上記熱エッチングやSiC再構成層22の形成といった手法を用いて、上記メサ構造の側面20として{0−33−8}面を表出させるとともに、上記溝6の底壁にて所定の結晶面(たとえば(0001)面または(000−1)面)を表出させてもよい。この場合、側面20とともに溝6の底壁においても所定の結晶面({0−33−8}面)を安定して形成することができる。   In the semiconductor device manufacturing method, in the step of forming the end face, the side face 20 of the mesa structure and the surface portion of the silicon carbide layer (the bottom wall of the groove 6) located between the plurality of mesa structures and continuing to the side face 20 May be formed in a self-forming manner. Specifically, using a method such as thermal etching or formation of the SiC reconstruction layer 22, the {0-33-8} plane is exposed as the side surface 20 of the mesa structure, and the bottom wall of the groove 6 is exposed. A predetermined crystal plane (for example, (0001) plane or (000-1) plane) may be exposed. In this case, a predetermined crystal plane ({0-33-8} plane) can be stably formed on the side wall 20 and also on the bottom wall of the groove 6.

また、異なる観点から言えば、上記半導体装置は、図3、図5、図6、図18、図27、図28などに示すように、主表面を有する基板1、31と、炭化珪素層(図6の耐圧保持層2、半導体層3、n型ソースコンタクト層4、およびp型のコンタクト領域5、あるいは図18のn型エピタキシャル層32、p型半導体層33、n型ソースコンタクト層34、p型のコンタクト領域35、あるいは図27および図28のn-エピタキシャル層42およびp+半導体層43)とを備える。炭化珪素層は、基板1、31の主表面上に形成される。炭化珪素層は、主表面に対して傾斜した端面である側面20を含む。側面20は、炭化珪素層の結晶型が六方晶の場合には実質的に{0−33−8}面および{01−1−4}面のいずれか一方を含み、炭化珪素層の結晶型が立方晶の場合には実質的に{111}面を含む。 From a different point of view, the semiconductor device includes, as shown in FIGS. 3, 5, 6, 18, 18, 27, 28, etc., substrates 1, 31 having a main surface, and a silicon carbide layer ( The breakdown voltage holding layer 2, the semiconductor layer 3, the n-type source contact layer 4, and the p-type contact region 5 in FIG. 6, or the n-type epitaxial layer 32, the p-type semiconductor layer 33, the n-type source contact layer 34 in FIG. p-type contact region 35, or n epitaxial layer 42 and p + semiconductor layer 43) of FIGS. 27 and 28. The silicon carbide layer is formed on the main surfaces of substrates 1 and 31. The silicon carbide layer includes a side surface 20 that is an end surface inclined with respect to the main surface. Side surface 20 substantially includes one of a {0-33-8} plane and a {01-1-4} plane when the silicon carbide layer has a hexagonal crystal type, and the silicon carbide layer has a crystal type In the case where is a cubic crystal, it substantially includes the {111} plane.

このようにすれば、炭化珪素層に形成される側面20が実質的に上記{0−33−8}面、{01−1−4}面および{111}面のいずれかになっているため、これらのいわゆる半極性面となっている側面20を半導体装置の能動領域(たとえばチャネル領域や導電性不純物が注入されて形成される導電領域)として利用することができる。そして、これらの側面20は安定な結晶面であるため、当該側面20をチャネル領域などの能動領域に利用した場合、他の結晶面(たとえば(0001)面)をチャネル領域に利用した場合より、リーク電流を十分低減できるとともに、高い耐圧を得ることができる。   In this case, the side surface 20 formed in the silicon carbide layer is substantially any of the {0-33-8} plane, the {01-1-4} plane, and the {111} plane. These side surfaces 20 that are so-called semipolar surfaces can be used as active regions of the semiconductor device (for example, channel regions and conductive regions formed by implantation of conductive impurities). And since these side surfaces 20 are stable crystal planes, when the side surfaces 20 are used as active regions such as channel regions, than when other crystal surfaces (for example, (0001) planes) are used as channel regions, The leakage current can be sufficiently reduced and a high breakdown voltage can be obtained.

上記半導体装置において、側面20は図6や図18に示すように能動領域を含んでいてもよい。また、上記半導体装置において、具体的には能動領域はチャネル領域を含む。この場合、上述したリーク電流の低減や高耐圧といった特性を確実に得ることができる。   In the semiconductor device, the side surface 20 may include an active region as shown in FIGS. In the semiconductor device, specifically, the active region includes a channel region. In this case, the characteristics such as the reduction of the leakage current and the high breakdown voltage described above can be obtained with certainty.

上記半導体装置において、炭化珪素層は、基板1、31と対向する面と反対側に位置する主表面において、図27および図28に示すように、上記側面20が側面を構成するメサ構造を含んでいてもよい。メサ構造中にPN接合部(図27や図28のn-エピタキシャル層42とp+半導体層43との接合部)が形成されていてもよい。この場合、メサ構造の側壁である側面20が上述した結晶面となっているので、当該側面20からのリーク電流を低減できる。 In the semiconductor device, the silicon carbide layer includes a mesa structure in which the side surface 20 constitutes a side surface as shown in FIGS. 27 and 28 on the main surface located on the opposite side of the surface facing the substrates 1 and 31. You may go out. A PN junction (a junction between the n epitaxial layer 42 and the p + semiconductor layer 43 in FIGS. 27 and 28) may be formed in the mesa structure. In this case, since the side surface 20 which is the side wall of the mesa structure is the above-described crystal plane, the leakage current from the side surface 20 can be reduced.

上記半導体装置において、図28に示すように、側面20の少なくとも一部は終端構造(JTE領域46)を構成してもよい。この場合、側面20に形成された終端構造におけるリーク電流を低減するとともに、当該終端構造の高耐圧化を図ることができる。   In the semiconductor device, as shown in FIG. 28, at least a part of the side surface 20 may constitute a termination structure (JTE region 46). In this case, the leakage current in the termination structure formed on the side surface 20 can be reduced and the breakdown voltage of the termination structure can be increased.

また、この発明に従った半導体装置の製造方法は、図8や図20に示すように炭化珪素層が形成された基板1、31を準備する工程と、図10および図11、あるいは図21および図22に示すように炭化珪素層の主表面に対して傾斜した端面(側面20)を形成する工程と、図11〜図17、あるいは図23〜図26に示すように、当該端面(側面20)を利用して、半導体装置に含まれる構造を形成する工程とを備える。端面(側面20)を形成する工程では、炭化珪素層に、酸素および塩素を含有する反応ガスを接触させながら、炭化珪素層を加熱して、炭化珪素層の主表面を部分的にエッチングにより除去することにより、炭化珪素層の主表面(たとえば図10、図22のn型ソースコンタクト層4、34の上部表面)に対して傾斜した端面(側面20)を形成する。端面(側面20)は、炭化珪素層の結晶型が六方晶の場合には実質的に{0−33−8}面および{01−14}面のいずれか一方を含み、炭化珪素層の結晶型が立方晶の場合には実質的に{111}面を含む。この場合、本発明による半導体装置を容易に製造することができる。   Further, the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of preparing substrates 1 and 31 on which a silicon carbide layer is formed as shown in FIGS. 8 and 20, and FIGS. 10 and 11 or FIGS. As shown in FIG. 22, the step of forming an end surface (side surface 20) inclined with respect to the main surface of the silicon carbide layer, and the end surface (side surface 20) as shown in FIG. 11 to FIG. 17 or FIG. And a step of forming a structure included in the semiconductor device. In the step of forming the end face (side face 20), the silicon carbide layer is heated while contacting the reaction gas containing oxygen and chlorine with the silicon carbide layer, and the main surface of the silicon carbide layer is partially removed by etching. Thus, an end surface (side surface 20) inclined with respect to the main surface of the silicon carbide layer (for example, the upper surfaces of n-type source contact layers 4 and 34 in FIGS. 10 and 22) is formed. The end face (side face 20) substantially includes either the {0-33-8} face or the {01-14} face when the silicon carbide layer has a hexagonal crystal type. When the mold is a cubic crystal, it substantially includes {111} planes. In this case, the semiconductor device according to the present invention can be easily manufactured.

また、この発明に従った基板の加工方法は、図8や図20に示すように炭化珪素層が形成された基板1、31を準備する工程と、図9および図10または図21および図22に示すように炭化珪素層の主表面に対して傾斜した端面(側面20)を形成する工程とを備える。端面(側面20)を形成する工程では、炭化珪素層に、酸素および塩素を含有する反応ガスを接触させながら、炭化珪素層を加熱して、炭化珪素層の主表面を部分的にエッチングにより除去することにより、炭化珪素層の主表面に対して傾斜した側面20を形成する。側面20は、炭化珪素層の結晶型が六方晶の場合には実質的に{0−33−8}面および{01−14}面のいずれか一方を含み、炭化珪素層の結晶型が立方晶の場合には実質的に{111}面を含む。この場合、上述した結晶面を含む側面20を有する炭化珪素層が形成された基板を容易に得ることができる。   Further, the substrate processing method according to the present invention includes a step of preparing substrates 1 and 31 on which a silicon carbide layer is formed as shown in FIGS. 8 and 20, and FIGS. 9 and 10 or FIGS. 21 and 22. And a step of forming an end face (side face 20) inclined with respect to the main surface of the silicon carbide layer. In the step of forming the end face (side face 20), the silicon carbide layer is heated while contacting the reaction gas containing oxygen and chlorine with the silicon carbide layer, and the main surface of the silicon carbide layer is partially removed by etching. By doing so, the side surface 20 inclined with respect to the main surface of the silicon carbide layer is formed. Side surface 20 substantially includes one of a {0-33-8} plane and a {01-14} plane when the crystal type of the silicon carbide layer is hexagonal, and the crystal type of the silicon carbide layer is cubic. In the case of a crystal, it substantially includes the {111} plane. In this case, it is possible to easily obtain a substrate on which the silicon carbide layer having the side surface 20 including the crystal face described above is formed.

上記半導体装置の製造方法または上記基板の加工方法は、端面(側面20)を形成する工程に先立って、図9や図21に示すように、炭化珪素層の主表面上に、パターンを有するマスク層17を形成する工程をさらに備えていてもよい。端面(側面20)を形成する工程では、マスク層17をマスクとして用いてエッチングを行なってもよい。この場合、マスク層17のパターンの位置によって、形成される側面20の位置を制御することができる。このため、形成される半導体装置のレイアウトの自由度を高めることができる。   Prior to the step of forming the end face (side surface 20), the semiconductor device manufacturing method or the substrate processing method includes a mask having a pattern on the main surface of the silicon carbide layer, as shown in FIGS. A step of forming the layer 17 may be further provided. In the step of forming the end surface (side surface 20), etching may be performed using the mask layer 17 as a mask. In this case, the position of the side surface 20 to be formed can be controlled by the pattern position of the mask layer 17. For this reason, the freedom degree of the layout of the semiconductor device formed can be raised.

また、マスク層17をマスクとして用いた上記エッチングによって予め炭化珪素層の一部を除去しておき、その後、図10や図22に示すように、酸素および塩素を含有する反応ガスを接触させながら、前記炭化珪素層を加熱することにより、前記炭化珪素層の主表面を部分的にエッチング(熱エッチング)により除去することが好ましい。この場合、側面20を形成するための熱エッチングに要する時間を、マスク層17をマスクとした上記エッチングを予め行なわない場合より短くできる。   Further, a part of the silicon carbide layer is previously removed by the etching using the mask layer 17 as a mask, and then, as shown in FIGS. 10 and 22, while contacting with a reactive gas containing oxygen and chlorine. It is preferable that the main surface of the silicon carbide layer is partially removed by etching (thermal etching) by heating the silicon carbide layer. In this case, the time required for the thermal etching for forming the side surface 20 can be shortened compared with the case where the etching using the mask layer 17 as a mask is not performed in advance.

上記半導体装置の製造方法または上記基板の加工方法にて、端面(側面20)を形成する工程において用いる反応ガスでは、塩素の流量に対する酸素の流量の比率が0.25以上2.0以下であってもよい。この場合、上記{0−33−8}面、{01−1−4}面または{111}面を含む端面を確実に形成することができる。   In the reaction gas used in the step of forming the end face (side surface 20) in the semiconductor device manufacturing method or the substrate processing method, the ratio of the oxygen flow rate to the chlorine flow rate is 0.25 to 2.0. May be. In this case, the end face including the {0-33-8} plane, the {01-1-4} plane, or the {111} plane can be reliably formed.

上記半導体装置の製造方法または上記基板の加工方法では、端面(側面20)を形成する工程において炭化珪素層を加熱する温度が700℃以上1200℃以下であってもよい。また、上記加熱する温度の下限は800℃、より好ましくは900℃とすることができる。また、上記加熱する温度の上限はより好ましくは1100℃、さらに好ましくは1000℃としてもよい。この場合、上記{0−33−8}面、{01−1−4}面または{111}面を含む端面を形成する熱エッチング工程でのエッチング速度を十分実用的な値とすることができるので、当該工程の処理時間を十分短くすることができる。   In the semiconductor device manufacturing method or the substrate processing method, the temperature for heating the silicon carbide layer in the step of forming the end surface (side surface 20) may be 700 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower. Moreover, the minimum of the said temperature to heat can be 800 degreeC, More preferably, it can be 900 degreeC. Further, the upper limit of the heating temperature is more preferably 1100 ° C, and even more preferably 1000 ° C. In this case, the etching rate in the thermal etching process for forming the end face including the {0-33-8} plane, the {01-1-4} plane, or the {111} plane can be set to a sufficiently practical value. Therefore, the processing time of the process can be sufficiently shortened.

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

本発明は、炭化珪素層を利用した半導体装置に特に有利に適用される。   The present invention is particularly advantageously applied to a semiconductor device using a silicon carbide layer.

1,31 基板、2 耐圧保持層、3 p型ボディ層(p型半導体層)、4,34 n型ソースコンタクト層、5,35 コンタクト領域、6,16 溝、7 電界緩和領域、8 ゲート絶縁膜、9 ゲート電極、10 層間絶縁膜、11 開口部、12 ソース電極、13 ソース配線電極、14,112 ドレイン電極、15 裏面保護電極、17 マスク層、20 側面、21 Si被膜、22 SiC再構成層、32 n型エピタキシャル層、33 p型半導体層、36 p型エピタキシャル層、42 n-エピタキシャル層、43 p半導体層、44 リッジ構造、45 ガードリング、46 JTE領域、101 半導体装置。 1,31 substrate, 2 breakdown voltage holding layer, 3 p-type body layer (p-type semiconductor layer), 4,34 n-type source contact layer, 5,35 contact region, 6,16 groove, 7 electric field relaxation region, 8 gate insulation Film, 9 gate electrode, 10 interlayer insulating film, 11 opening, 12 source electrode, 13 source wiring electrode, 14, 112 drain electrode, 15 back surface protection electrode, 17 mask layer, 20 side surface, 21 Si coating, 22 SiC reconstruction Layer, 32 n type epitaxial layer, 33 p type semiconductor layer, 36 p type epitaxial layer, 42 n epitaxial layer, 43 p + semiconductor layer, 44 ridge structure, 45 guard ring, 46 JTE region, 101 semiconductor device.

Claims (7)

実質的に{0−33−8}面を含む表面を有する炭化珪素層が主表面上に形成された基板を準備する工程と、
前記炭化珪素層に導電性不純物を注入する工程と、
前記注入された導電性不純物を活性化するための熱処理を行なう工程とを備え、
前記熱処理を行なう工程では、前記炭化珪素層の表面は熱処理を行なうための雰囲気ガスに露出した状態になっている、半導体装置の製造方法。
Providing a substrate on which a silicon carbide layer having a surface substantially including a {0-33-8} plane is formed on a main surface;
Injecting conductive impurities into the silicon carbide layer;
Performing a heat treatment for activating the implanted conductive impurities,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein in the step of performing the heat treatment, the surface of the silicon carbide layer is exposed to an atmosphere gas for performing the heat treatment.
前記基板を準備する工程は、前記炭化珪素層において前記基板の主表面に対して傾斜した端面を形成する工程を含み、
前記端面が前記実質的に{0−33−8}面を含む表面となっている、請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
The step of preparing the substrate includes the step of forming an end surface inclined with respect to the main surface of the substrate in the silicon carbide layer,
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the end surface is a surface substantially including the {0-33-8} plane.
主表面を有する基板と、
前記基板の前記主表面上に形成され、前記主表面に対して傾斜した端面を含む炭化珪素層とを備え、
前記端面は実質的に{0−33−8}面を含み、
前記端面は導電性不純物の注入領域を含む、半導体装置。
A substrate having a main surface;
A silicon carbide layer formed on the main surface of the substrate and including an end face inclined with respect to the main surface;
The end face substantially comprises a {0-33-8} plane;
The end face includes a semiconductor impurity implantation region.
前記炭化珪素層は、前記基板と対向する面と反対側に位置する主表面において、前記端面が側面を構成する複数のメサ構造を含み、
複数の前記メサ構造の間に位置し、前記側面と連なる前記炭化珪素層の表面部分が実質的に{000−1}面となっている、請求項3に記載の半導体装置。
The silicon carbide layer includes a plurality of mesa structures in which the end surface constitutes a side surface in a main surface located on the opposite side to the surface facing the substrate,
4. The semiconductor device according to claim 3, wherein the surface portion of the silicon carbide layer located between the plurality of mesa structures and continuing to the side surface is substantially a {000-1} plane.
複数の前記メサ構造において前記側面と連なる上部表面の平面形状が六角形であり、
複数の前記メサ構造は、少なくとも3つのメサ構造を含み、
複数の前記メサ構造は、平面視したときの中心を結んだ線分により正三角形が形成されるように配置されている、請求項4に記載の半導体装置。
In the plurality of mesa structures, the planar shape of the upper surface connected to the side surface is a hexagon,
The plurality of mesa structures includes at least three mesa structures;
The semiconductor device according to claim 4, wherein the plurality of mesa structures are arranged such that equilateral triangles are formed by line segments connecting the centers when viewed in plan.
前記メサ構造の前記上部表面が実質的に{000−1}面となっている、請求項5に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 5, wherein the upper surface of the mesa structure is substantially a {000-1} plane. 前記端面の表面粗さは二乗平均平方根粗さで10nm以下となっている、請求項3〜6のいずれか1項に記載の半導体装置。   7. The semiconductor device according to claim 3, wherein the surface roughness of the end face is 10 nm or less in terms of root mean square roughness.
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