JP2013172119A - Silicon carbide semiconductor device and manufacturing method therefor - Google Patents

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Hideki Hayashi
秀樹 林
Takeyoshi Masuda
健良 増田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a silicon carbide semiconductor device having a low on resistance which can be manufactured easily.SOLUTION: A mask 60 is formed on the first surface P1 of a silicon carbide substrate SB having first conductivity type. The first surface P1 is etched so that a trench TR, having a sidewall SW inclining for the first surface P1 and holding the silicon carbide substrate SB partially, is formed on the first surface P1. Impurities of a conductivity type for imparting a second conductivity type to silicon carbide are injected on the sidewall SW, so that a gate region 14 of second conductivity type provided on the sidewall SW, and a channel region 10 of a first conductivity type having a part held by the gate region 14 and a part forming a second surface P2 are formed of the silicon carbide substrate SB.

Description

この発明は炭化珪素半導体装置およびその製造方法に関し、特にゲート電極を有する炭化珪素半導体装置およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a silicon carbide semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a silicon carbide semiconductor device having a gate electrode and a manufacturing method thereof.

シリコン基板を用いた電力用半導体装置として、トレンチゲートを有するMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)が広く用いられている。一方で、シリコンの代わりに炭化珪素を用いることが活発に検討されている。炭化珪素を用いることで、半導体装置のオン抵抗をより小さくすることができると期待されている。しかしながらこれまでのところ、理論的に期待される程度にオン抵抗が低いMOSFETは得られていない。この理由は、オン抵抗に大きく影響するチャネル移動度が、炭化珪素の物性から予測される理論的な値に比して大幅に小さくなっているためと考えられる。特開2011−23675号公報(特許文献1)によれば、炭化珪素を用いたトレンチMOSFETのチャネル移動度の低下は、トレンチ側壁面が滑らかでないことに起因する、と指摘されている。   As a power semiconductor device using a silicon substrate, a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) having a trench gate has been widely used. On the other hand, the use of silicon carbide instead of silicon has been actively studied. It is expected that the on-resistance of the semiconductor device can be further reduced by using silicon carbide. However, so far, a MOSFET having a low on-resistance as theoretically expected has not been obtained. This is presumably because the channel mobility that greatly affects the on-resistance is significantly smaller than the theoretical value predicted from the physical properties of silicon carbide. According to Japanese Patent Laid-Open No. 2011-23675 (Patent Document 1), it is pointed out that the decrease in channel mobility of a trench MOSFET using silicon carbide is caused by the fact that the trench side wall surface is not smooth.

MOSFETと異なり接合型電界効果トランジスタ(JFET:Junction Field Effect Transistor)の場合、上述したチャネル移動度低下の問題をほぼ避けることができる。なぜならば、JFETにおけるチャネルの大部分は、バルク結晶中に位置しており結晶表面の影響を受けにくいためである。   Unlike a MOSFET, in the case of a junction field effect transistor (JFET), the above-described problem of reduction in channel mobility can be substantially avoided. This is because most of the channels in the JFET are located in the bulk crystal and are not easily affected by the crystal surface.

非特許文献1(Yasunori Tanaka et.al, ”700−V 1.0−mΩ・cm2 Buried Gate SiC−SIT(SiC−BGSIT)”, IEEE Electron Device Letters, Vol. 27, No. 11, (2006), pp. 908−910)によれば、炭化珪素半導体装置として、静電誘導トランジスタ(SIT:Static Induction Transistor)または接合型電界効果トランジスタ(JFET:Junction Field Effect Transistor)と称されるものが提案されている。このJFETは、p+ゲート層によって構成される埋め込みゲートを有する。このJFETの製造方法は次の工程を含む。第1工程において、n+ 4H−SiC基板上にn-ドリフト層およびp+ゲート層がエピタキシャルに成長させられる。第2工程において、微細トレンチ構造を形成するためにp+ゲート層がドライエッチングされる。第3工程において、トレンチ構造にかぶさるようにn-チャネル領域がエピタキシャル成長によって形成される。 Non-Patent Document 1 (Yasunori Tanaka et.al, “700-V 1.0-mΩ · cm 2 Buried Gate SiC-SIT (SiC-BGSIT)”, IEEE Electron Devices Letters, Vol. 27, No. 11, (6. ), Pp. 908-910), a silicon carbide semiconductor device called an electrostatic induction transistor (SIT: Static Induction Transistor) or a junction field effect transistor (JFET: Junction Field Effect Transistor) is proposed. Has been. This JFET has a buried gate constituted by a p + gate layer. The manufacturing method of this JFET includes the following steps. In the first step, an n drift layer and a p + gate layer are epitaxially grown on the n + 4H—SiC substrate. In the second step, the p + gate layer is dry etched to form a fine trench structure. In the third step, an n channel region is formed by epitaxial growth so as to cover the trench structure.

特開2011−23675号公報JP 2011-23675 A

Yasunori Tanaka et.al, ”700−V 1.0−mΩ・cm2 Buried Gate SiC−SIT(SiC−BGSIT)”, IEEE Electron Device Letters, Vol. 27, No. 11, (2006), pp. 908−910Yasunori Tanaka et. al, “700-V 1.0-mΩ · cm 2 Buried Gate SiC-SIT (SiC-BGSIT)”, IEEE Electron Device Letters, Vol. 27, no. 11, (2006), pp. 908-910

上記のJFETにおいては、p+ゲート層に形成されるトレンチの幅がチャネル幅に対応する。このため、極端に大きなゲート電圧を用いることなくチャネルを制御可能とするためには、トレンチの幅を微細なものとする必要がある。このトレンチ内を埋めるn-チャネル領域の形成にばらつきがあると、p+ゲート層とn-チャネル領域とによって形成されるpn接合面にばらつきが生じるので、JFETの特性がばらついてしまう。このため上記のJFETの製造方法においては、微細なトレンチを形成する微細加工と、この微細なトレンチを精度よく埋めるエピタキシャル成長とを行う必要がある。このように上記のJFETの製造方法は難易度が高いものである。 In the above JFET, the width of the trench formed in the p + gate layer corresponds to the channel width. Therefore, in order to be able to control the channel without using an extremely large gate voltage, it is necessary to make the width of the trench fine. If there is a variation in the formation of the n channel region filling the trench, variations occur in the pn junction surface formed by the p + gate layer and the n channel region, and the JFET characteristics vary. For this reason, in the above-described JFET manufacturing method, it is necessary to perform fine processing for forming a fine trench and epitaxial growth for accurately filling the fine trench. Thus, the above-described JFET manufacturing method is highly difficult.

この発明は、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、低いオン抵抗を有しかつ容易に製造することができる炭化珪素半導体装置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 silicon carbide semiconductor device that has a low on-resistance and can be easily manufactured. is there.

本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法は次の工程を有する。厚さ方向において互いに対向する第1の面および第2の面を有し、第1の導電型を有する炭化珪素基板が準備される。炭化珪素基板の第1の面上に、開口部と、厚さ方向と交差する面内方向において開口部によって挟まれたマスキング部とを有するマスクが形成される。第1の面に対して90°よりも小さい角度だけ傾斜し面内方向において炭化珪素基板を部分的に挟む側壁を有するトレンチが第1の面上に形成されるように、マスクを用いて炭化珪素基板の第1の面がエッチングされる。トレンチの側壁上に設けられ第1の導電型と異なる第2の導電型を有するゲート領域と、第1導電型を有し、かつ面内方向においてゲート領域によって挟まれた部分を有し、かつ第2の面をなす部分を有するチャネル領域とが、炭化珪素基板から形成されるように、炭化珪素基板の側壁上に、第1の導電型と異なる第2の導電型を炭化珪素に付与するための導電型不純物が注入される。トレンチ内に、ゲート領域に接しかつチャネル領域から離れたゲート電極が形成される。第1の面上においてチャネル領域に接するソース電極が形成される。第2の面上においてチャネル領域に接するドレイン電極が形成される。   The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device of the present invention includes the following steps. A silicon carbide substrate having a first surface and a second surface facing each other in the thickness direction and having a first conductivity type is prepared. A mask having an opening and a masking portion sandwiched by the opening in the in-plane direction intersecting the thickness direction is formed on the first surface of the silicon carbide substrate. Carbonization is performed using a mask so that a trench having a side wall that is inclined by an angle smaller than 90 ° with respect to the first surface and that partially sandwiches the silicon carbide substrate in the in-plane direction is formed on the first surface. The first surface of the silicon substrate is etched. A gate region provided on the sidewall of the trench and having a second conductivity type different from the first conductivity type; a portion having the first conductivity type and sandwiched between the gate regions in the in-plane direction; and A second conductivity type different from the first conductivity type is imparted to silicon carbide on the sidewall of the silicon carbide substrate so that the channel region having a portion forming the second surface is formed from the silicon carbide substrate. Conductive impurities are implanted. A gate electrode in contact with the gate region and away from the channel region is formed in the trench. A source electrode in contact with the channel region is formed on the first surface. A drain electrode in contact with the channel region is formed on the second surface.

この製造方法によれば、ゲート領域とチャネル領域との界面に形成されるpn接合面を有するJFET構造が設けられるので、MOSFET構造に比してチャネル移動度の低下が避けられる。これによりオン抵抗を低くすることができる。またこの製造方法によれば、チャネルを制御するためのpn接合面が、トレンチの埋め込みによってではなく、炭化珪素基板の側壁上への不純物の注入によって形成される。よってトレンチを精度よく埋める必要がないので、炭化珪素半導体装置を容易に製造することができる。以上のように、この製造方法によれば、低いオン抵抗を有する炭化珪素半導体装置を容易に製造することができる。   According to this manufacturing method, since a JFET structure having a pn junction surface formed at the interface between the gate region and the channel region is provided, a decrease in channel mobility can be avoided as compared with the MOSFET structure. As a result, the on-resistance can be lowered. Further, according to this manufacturing method, the pn junction surface for controlling the channel is formed not by burying the trench but by implanting impurities onto the side wall of the silicon carbide substrate. Therefore, since it is not necessary to fill the trench with high accuracy, the silicon carbide semiconductor device can be easily manufactured. As described above, according to this manufacturing method, a silicon carbide semiconductor device having a low on-resistance can be easily manufactured.

好ましくは、導電型不純物を注入する工程は上記マスクを用いて行われる。これにより、導電型不純物を注入するためのマスクを別途形成する必要がなくなる。よって炭化珪素半導体装置をより容易に製造することができる。   Preferably, the step of implanting the conductivity type impurity is performed using the mask. This eliminates the need to separately form a mask for implanting the conductive impurities. Therefore, the silicon carbide semiconductor device can be manufactured more easily.

好ましくは、炭化珪素基板の第1の面をエッチングする工程は、熱エッチングを行う工程を含む。これにより、所定の傾斜を有する側壁を有するトレンチを安定的に形成することができる。よって炭化珪素半導体装置の特性ばらつきを抑制することができる。   Preferably, the step of etching the first surface of the silicon carbide substrate includes a step of performing thermal etching. Thereby, a trench having a side wall having a predetermined slope can be stably formed. Therefore, variation in characteristics of the silicon carbide semiconductor device can be suppressed.

好ましくは、第1の導電型はn型である。これにより、nチャネル型のJFET構造が設けられる。よってオン抵抗をより小さくすることができる。   Preferably, the first conductivity type is n-type. This provides an n-channel JFET structure. Therefore, the on-resistance can be further reduced.

本発明の炭化珪素半導体装置は、炭化珪素基板と、ゲート電極と、ソース電極と、ドレイン電極とを有する。炭化珪素基板は、第1の面と、厚さ方向において第1の面と対向する第2の面とを有する。第1の面には、側壁を有するトレンチが設けられている。側壁は、第1の面に対して90°よりも小さい角度だけ傾斜している。側壁は、厚さ方向と交差する面内方向において炭化珪素基板を部分的に挟んでいる。炭化珪素基板はゲート領域およびチャネル領域を有する。ゲート領域は、トレンチの側壁上に設けられ、第1の導電型と異なる第2の導電型を有する。チャネル領域は、第1導電型を有し、かつ面内方向においてゲート領域によって挟まれた部分を有し、かつ第2の面をなす部分を有する。ゲート電極は、トレンチ内に設けられ、ゲート領域に接しておりかつチャネル領域から離れている。ソース電極は第1の面上においてチャネル領域に接している。ドレイン電極は第2の面上においてチャネル領域に接している。   The silicon carbide semiconductor device of the present invention has a silicon carbide substrate, a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode. The silicon carbide substrate has a first surface and a second surface facing the first surface in the thickness direction. A trench having side walls is provided on the first surface. The side wall is inclined by an angle smaller than 90 ° with respect to the first surface. The sidewall partially sandwiches the silicon carbide substrate in the in-plane direction that intersects the thickness direction. The silicon carbide substrate has a gate region and a channel region. The gate region is provided on the sidewall of the trench and has a second conductivity type different from the first conductivity type. The channel region has a first conductivity type, has a portion sandwiched between gate regions in the in-plane direction, and has a portion forming a second surface. The gate electrode is provided in the trench, is in contact with the gate region, and is separated from the channel region. The source electrode is in contact with the channel region on the first surface. The drain electrode is in contact with the channel region on the second surface.

この炭化珪素半導体装置によれば、ゲート領域とチャネル領域との界面に形成されるpn接合面を有するJFET構造が設けられるので、MOSFET構造に比してチャネル移動度の低下が避けられる。これによりオン抵抗を低くすることができる。またこの炭化珪素半導体装置によれば、チャネルを制御するためのpn接合面を、トレンチの埋め込みによってではなく、炭化珪素基板の側壁上への不純物の注入によって形成し得る。よってトレンチを精度よく埋める必要がないので、炭化珪素半導体装置をより容易に得られるものとすることができる。以上のように、この炭化珪素半導体装置によれば、オン抵抗を低くすることができ、かつ炭化珪素炭化珪素半導体装置をより容易に得られるものとすることができる。   According to this silicon carbide semiconductor device, since the JFET structure having the pn junction surface formed at the interface between the gate region and the channel region is provided, a decrease in channel mobility can be avoided as compared with the MOSFET structure. As a result, the on-resistance can be lowered. According to this silicon carbide semiconductor device, the pn junction surface for controlling the channel can be formed not by burying the trench but by implanting impurities onto the sidewall of the silicon carbide substrate. Therefore, since it is not necessary to fill the trench with high accuracy, the silicon carbide semiconductor device can be obtained more easily. As described above, according to this silicon carbide semiconductor device, the on-resistance can be lowered and the silicon carbide silicon carbide semiconductor device can be obtained more easily.

上述したように本発明によれば、低いオン抵抗を有しかつ容易に製造することができる炭化珪素半導体装置を提供することができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide a silicon carbide semiconductor device that has a low on-resistance and can be easily manufactured.

本発明の一実施の形態における炭化珪素半導体装置の構成を概略的に示す図であり、図2および図3の各々の線I−Iに対応した断面での断面図である。FIG. 4 schematically shows a configuration of a silicon carbide semiconductor device in one embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view taken along a line II in FIG. 2 and FIG. 3. 図1の炭化珪素半導体装置の構造を概略的に示す平面図である。FIG. 2 is a plan view schematically showing a structure of the silicon carbide semiconductor device of FIG. 1. 図1の炭化珪素半導体装置が有する炭化珪素基板の構造を概略的に示す平面図である。FIG. 2 is a plan view schematically showing a structure of a silicon carbide substrate included in the silicon carbide semiconductor device of FIG. 1. 本発明の一実施の形態における炭化珪素半導体装置のオン状態を概略的に示す断面図である。1 is a cross sectional view schematically showing an on state of a silicon carbide semiconductor device in one embodiment of the present invention. 本発明の一実施の形態における炭化珪素半導体装置のオフ状態を概略的に示す断面図である。1 is a cross sectional view schematically showing an off state of a silicon carbide semiconductor device in one embodiment of the present invention. 本発明の一実施の形態における炭化珪素半導体装置の製造方法の第1工程を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the 1st process of the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態における炭化珪素半導体装置の製造方法の第2工程を概略的に示す平面図である。FIG. 6 is a plan view schematically showing a second step of the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device in one embodiment of the present invention. 図7の線VIII−VIIIに沿う概略断面図である。It is a schematic sectional drawing in alignment with line VIII-VIII of FIG. 本発明の一実施の形態における炭化珪素半導体装置の製造方法の第3工程を概略的に示す平面図である。FIG. 11 is a plan view schematically showing a third step of the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device in one embodiment of the present invention. 図9の線X−Xに沿う概略断面図である。It is a schematic sectional drawing in alignment with line XX of FIG. 本発明の一実施の形態における炭化珪素半導体装置の製造方法の第4工程を概略的に示す断面図である。FIG. 10 is a cross sectional view schematically showing a fourth step of the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device in one embodiment of the present invention. 本発明の一実施の形態における炭化珪素半導体装置の製造方法の第5工程を概略的に示す断面図である。FIG. 10 is a cross sectional view schematically showing a fifth step of the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device in one embodiment of the present invention.

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.

図1および図2に示すように、本実施の形態のJFET90(炭化珪素半導体装置)は、エピタキシャル基板SB(炭化珪素基板)と、ゲート電極40と、ソース電極41と、ドレイン電極42とを有する。エピタキシャル基板SBは、炭化珪素から作られている。   As shown in FIGS. 1 and 2, JFET 90 (silicon carbide semiconductor device) of the present embodiment has an epitaxial substrate SB (silicon carbide substrate), a gate electrode 40, a source electrode 41, and a drain electrode 42. . Epitaxial substrate SB is made of silicon carbide.

図1および図3に示すように、エピタキシャル基板SBは、上面P1(第1の面)と、厚さ方向(図1における縦方向)において上面P1と対向する下面P2(第2の面)とを有する。上面P1には、側壁SWを有するトレンチTRが設けられている。側壁SWは、上面P1に対して90°よりも小さい角度だけ傾斜している。側壁SWは、厚さ方向と交差する面内方向(図1における横方向)においてエピタキシャル基板SBを部分的に挟んでいる。エピタキシャル基板SBが六方晶系の結晶構造を有する場合、エピタキシャル基板SBの、トレンチTRに囲まれた上面P1は、六角形の形状を有することが好ましい。さらに、この六角形が有する6つの辺の各々につながった側壁SWは、結晶学的に等価なものであることが好ましい。   As shown in FIGS. 1 and 3, the epitaxial substrate SB includes an upper surface P1 (first surface) and a lower surface P2 (second surface) facing the upper surface P1 in the thickness direction (vertical direction in FIG. 1). Have A trench TR having a sidewall SW is provided on the upper surface P1. The side wall SW is inclined by an angle smaller than 90 ° with respect to the upper surface P1. Sidewall SW partially sandwiches epitaxial substrate SB in the in-plane direction (lateral direction in FIG. 1) intersecting the thickness direction. When the epitaxial substrate SB has a hexagonal crystal structure, the upper surface P1 of the epitaxial substrate SB surrounded by the trench TR preferably has a hexagonal shape. Further, the side walls SW connected to each of the six sides of the hexagon are preferably crystallographically equivalent.

エピタキシャル基板SBはゲート領域14およびチャネル領域10を有する。
ゲート領域14はトレンチTRの側壁SW上に設けられている。またゲート領域14はp型(第1の導電型と異なる第2の導電型)を有する。またゲート領域14は、側壁SWと実質的に平行な底面BTと、底面BTおよび側壁SWの間をつなぐように延びる側面SDとを有する。側面SDは、おおよそ厚さ方向(図1における縦方向)に延びている。
Epitaxial substrate SB has gate region 14 and channel region 10.
Gate region 14 is provided on sidewall SW of trench TR. The gate region 14 has a p-type (second conductivity type different from the first conductivity type). Gate region 14 has a bottom surface BT substantially parallel to side wall SW and a side surface SD extending so as to connect between bottom surface BT and side wall SW. The side surface SD extends approximately in the thickness direction (vertical direction in FIG. 1).

チャネル領域10はn型(第1導電型)を有する。またチャネル領域10は、面内方向(図1における横方向)においてゲート領域14によって挟まれた部分を有する。またチャネル領域10は、下面P2をなす部分を有する。本実施の形態においては、チャネル領域10は単結晶基板11およびエピタキシャル層12を有する。単結晶基板11は、n型を有し、下面P2をなしている。エピタキシャル層12は、単結晶基板11上にエピタキシャルに成長させられた炭化珪素から作られ、n型を有し、上面P1をなしている。   Channel region 10 has n-type (first conductivity type). The channel region 10 has a portion sandwiched between the gate regions 14 in the in-plane direction (lateral direction in FIG. 1). The channel region 10 has a portion that forms the lower surface P2. In the present embodiment, channel region 10 has a single crystal substrate 11 and an epitaxial layer 12. Single crystal substrate 11 has an n-type and has lower surface P2. Epitaxial layer 12 is made of silicon carbide epitaxially grown on single crystal substrate 11, has an n-type, and has upper surface P1.

ゲート電極40は、トレンチTR内に設けられ、ゲート領域14に接しておりかつチャネル領域10から離れている。ソース電極41は上面P1上においてチャネル領域10にオーミックに接している。ドレイン電極42は下面P2上においてチャネル領域10にオーミックに接している。   Gate electrode 40 is provided in trench TR, is in contact with gate region 14 and is separated from channel region 10. The source electrode 41 is in ohmic contact with the channel region 10 on the upper surface P1. The drain electrode 42 is in ohmic contact with the channel region 10 on the lower surface P2.

次にJFET90の動作について、以下に説明する。
図4を参照して、JFET90は、ソース電極41およびドレイン電極42の間において、キャリア(本実施の形態においては電子)の経路ELを有するスイッチング素子として用いられる。オン状態(図4に示す状態)においては、キャリアが、チャネル領域10の面内方向(図中における横方向)においてゲート領域14に挟まれた部分を通過する。具体的には、ソース電極41から注入されたキャリアは、チャネル領域10のうちゲート領域14の側面SDに挟まれた部分を通過し、チャネル領域10のうちゲート領域14の底面BTに挟まれた部分を通過し、ドレイン電極42から排出される。
Next, the operation of JFET 90 will be described below.
Referring to FIG. 4, JFET 90 is used as a switching element having a carrier (electron in the present embodiment) path EL between source electrode 41 and drain electrode 42. In the on state (the state shown in FIG. 4), carriers pass through the portion sandwiched between the gate regions 14 in the in-plane direction (lateral direction in the drawing) of the channel region 10. Specifically, the carriers injected from the source electrode 41 pass through a portion of the channel region 10 sandwiched between the side surfaces SD of the gate region 14 and are sandwiched by the bottom surface BT of the gate region 14 of the channel region 10. It passes through the portion and is discharged from the drain electrode 42.

図5を参照して、ゲート電極40を介してゲート領域14に、しきい値を超える電圧が印加されると、ゲート領域14からチャネル領域10中に、図中矢印で示すように空乏層が延びる。具体的には、チャネル領域10のうち、面内方向(図中における横方向)においてゲート領域14の側面SDに挟まれた部分が、図中における矢印DSで示すように延びる空乏層によって空乏化される。またチャネル領域10のうち、面内方向においてゲート領域14の底面BTに挟まれた部分が、図中における矢印DBで示すように延びる空乏層によって空乏化される。この結果、キャリアの経路EL(図4)が遮断される。すなわちJFET90がオフ状態とされる。   Referring to FIG. 5, when a voltage exceeding a threshold value is applied to gate region 14 through gate electrode 40, a depletion layer is formed from gate region 14 into channel region 10 as indicated by an arrow in the drawing. Extend. Specifically, a portion of the channel region 10 sandwiched between the side surfaces SD of the gate region 14 in the in-plane direction (lateral direction in the figure) is depleted by a depletion layer extending as indicated by an arrow DS in the figure. Is done. Further, a portion of the channel region 10 sandwiched between the bottom surfaces BT of the gate regions 14 in the in-plane direction is depleted by a depletion layer extending as indicated by an arrow DB in the drawing. As a result, the carrier path EL (FIG. 4) is blocked. That is, JFET 90 is turned off.

次にJFET90の製造方法について、以下に説明する。
図6に示すように、厚さ方向において互いに対向する上面P1および下面P2を有し、n型を有するエピタキシャル基板SBが準備される。具体的には、単結晶基板11上にエピタキシャル層12が形成される。エピタキシャル層12は、たとえば化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法によって形成し得る。
Next, a method for manufacturing JFET 90 will be described below.
As shown in FIG. 6, an epitaxial substrate SB having an upper surface P1 and a lower surface P2 facing each other in the thickness direction and having an n-type is prepared. Specifically, epitaxial layer 12 is formed on single crystal substrate 11. Epitaxial layer 12 can be formed by, for example, a chemical vapor deposition (CVD) method.

図7および図8に示すように、エピタキシャル基板SBの上面P1上に、開口部OPと、面内方向(図8における横方向)において開口部OPによって挟まれたマスキング部MSとを有するマスク60が形成される。開口部OPの位置は、トレンチTR(図1および図3)が形成されることになる位置に対応している。マスク60の材料は、たとえば酸化珪素である。   As shown in FIGS. 7 and 8, on the upper surface P1 of the epitaxial substrate SB, a mask 60 having an opening OP and a masking portion MS sandwiched by the opening OP in the in-plane direction (lateral direction in FIG. 8). Is formed. The position of the opening OP corresponds to the position where the trench TR (FIGS. 1 and 3) is to be formed. The material of the mask 60 is, for example, silicon oxide.

図9および図10に示すように、マスク60を用いてエピタキシャル基板SBの上面P1がエッチングされる。これにより、側壁SWを有するトレンチTRが上面P1上に形成される。側壁SWは、上面P1に対して90°よりも小さい角度だけ傾斜するように、かつ面内方向(図10における横方向)においてエピタキシャル基板SBを部分的に挟むように形成される。好ましくは、このエッチングは熱エッチング(詳しくは後述する)によって行われる。   As shown in FIGS. 9 and 10, upper surface P <b> 1 of epitaxial substrate SB is etched using mask 60. Thereby, trench TR having sidewall SW is formed on upper surface P1. Sidewall SW is formed so as to be inclined with respect to upper surface P1 by an angle smaller than 90 ° and to partially sandwich epitaxial substrate SB in the in-plane direction (lateral direction in FIG. 10). Preferably, this etching is performed by thermal etching (details will be described later).

図11に示すように、エピタキシャル基板SBの側壁SW上に、p型を炭化珪素に付与するための導電型不純物がマスク60を用いて注入される。これにより、エピタキシャル基板SBからゲート領域14とチャネル領域10とが形成される。ゲート領域14は、p型を有し、トレンチTRの側壁SW上に設けられる。チャネル領域10は、n型を有し、かつ面内方向においてゲート領域14によって挟まれた部分を有し、かつ下面P2をなす部分を有する。次にマスク60が除去される(図12)。   As shown in FIG. 11, a conductive impurity for imparting p-type to silicon carbide is implanted onto sidewall SW of epitaxial substrate SB using mask 60. Thereby, the gate region 14 and the channel region 10 are formed from the epitaxial substrate SB. Gate region 14 has a p-type and is provided on sidewall SW of trench TR. The channel region 10 has an n-type, a portion sandwiched between the gate regions 14 in the in-plane direction, and a portion forming the lower surface P2. Next, the mask 60 is removed (FIG. 12).

再び図1を参照して、トレンチTR内に、ゲート領域14に接しかつチャネル領域10から離れたゲート電極40が形成される。上面P1上においてチャネル領域10に接するソース電極41が形成される。下面P2上においてチャネル領域10に接するドレイン電極42が形成される。以上によりJFET90が得られる。   Referring again to FIG. 1, gate electrode 40 in contact with gate region 14 and away from channel region 10 is formed in trench TR. A source electrode 41 in contact with the channel region 10 is formed on the upper surface P1. A drain electrode 42 in contact with the channel region 10 is formed on the lower surface P2. Thus, JFET 90 is obtained.

本実施の形態によれば、ゲート領域14とチャネル領域10との界面に形成されるpn接合面を有するJFET構造が設けられる(図1)。JFET構造のチャネルは、MOSFET構造において半導体および酸化物の界面に形成されるチャネルと異なり、バルク結晶中の電流経路EL(図4)を含む。よってチャネル移動度の低下が避けられるので、オン抵抗を低くすることができる。   According to the present embodiment, a JFET structure having a pn junction formed at the interface between the gate region 14 and the channel region 10 is provided (FIG. 1). Unlike the channel formed at the interface between the semiconductor and the oxide in the MOSFET structure, the channel of the JFET structure includes a current path EL (FIG. 4) in the bulk crystal. Accordingly, a decrease in channel mobility can be avoided, so that the on-resistance can be lowered.

またこのpn接合面が、エピタキシャル基板SBの側壁SW上への不純物の注入によって形成される(図11)。よってJFET90を容易に製造することができる。   The pn junction surface is formed by implanting impurities onto the sidewall SW of the epitaxial substrate SB (FIG. 11). Therefore, the JFET 90 can be easily manufactured.

また不純物が注入される際に、炭化珪素基板の上面P1をエッチングする工程において用いられたマスク60(図10)が用いられる。これにより、不純物を注入するためのマスクを別途形成する必要がなくなる。よってJFET90をより容易に製造することができる。   Further, when impurities are implanted, mask 60 (FIG. 10) used in the step of etching upper surface P1 of the silicon carbide substrate is used. This eliminates the need to separately form a mask for implanting impurities. Therefore, the JFET 90 can be manufactured more easily.

また第1の導電型がn型であることにより、nチャネル型のJFET構造が設けられる。よって、pチャネル型の場合に比して、オン抵抗をより小さくすることができる。   Further, since the first conductivity type is n-type, an n-channel JFET structure is provided. Therefore, the on-resistance can be further reduced as compared with the p-channel type.

また、ゲート領域14によって挟まれたチャネルの形状は、通常のJFET構造のように1つのチャネル幅と1つのチャネル長とによって規定されるのではなく、ドレイン電極42に向かうテーパー状の拡がりの程度、すなわちゲート領域14の底面BTの角度、によっても規定される。よってJFET構造のしきい値特性をより細かく調整することができる。底面BTの角度は、トレンチTRの側壁SWの角度によって容易に調整することができる。   Further, the shape of the channel sandwiched between the gate regions 14 is not defined by one channel width and one channel length as in a normal JFET structure, but is a degree of taper-shaped expansion toward the drain electrode 42. That is, the angle of the bottom surface BT of the gate region 14. Therefore, the threshold characteristic of the JFET structure can be adjusted more finely. The angle of the bottom surface BT can be easily adjusted by the angle of the side wall SW of the trench TR.

好ましくは、エピタキシャル基板SBの上面P1をエッチングする工程(図10)は、熱エッチングを行う工程を含む。これにより、所定の傾斜を有する側壁SWを有するトレンチTRを安定的に形成することができる。よってJFET90(図1)の特性ばらつきを抑制することができる。   Preferably, the step of etching upper surface P1 of epitaxial substrate SB (FIG. 10) includes a step of performing thermal etching. Thereby, it is possible to stably form the trench TR having the sidewall SW having a predetermined inclination. Therefore, characteristic variation of JFET 90 (FIG. 1) can be suppressed.

ここで「熱エッチング」とは、エッチングされる対象を高温下でエッチングガスにさらすことによって行われるものであり、物理的エッチング作用を実質的に有しないものである。熱エッチングを用いることによって、結晶学的に特定の側壁SWを自己形成することができる。熱エッチングのプロセスガスは、好ましくはハロゲン原子を含み、より好ましくはハロゲン原子は塩素原子である。具体的にはプロセスガスは、Clガスであってもよい。好ましくは、プロセスガスは、ハロゲン元素を含有するガスに加えてさらに、酸素原子を含有するガスを含む。酸素原子を含有するガスは、具体的にはO2ガスであってもよい。なお、プロセスガスは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N2ガス、Arガス、またはHeガスを用いることができる。熱エッチングの熱処理温度は、好ましくは700℃以上1200℃以下である。この温度の下限は、より好ましくは800℃、さらに好ましくは900℃である。またこの温度の上限は、より好ましくは1100℃、さらに好ましくは1000℃である。この場合、エッチング速度を十分実用的な値とすることができる。熱処理温度を700℃以上1000℃以下とした場合、炭化珪素のエッチング速度はたとえば70μm/hr程度になる。 Here, “thermal etching” is performed by exposing an object to be etched to an etching gas at a high temperature, and has substantially no physical etching action. By using thermal etching, a crystallographically specific side wall SW can be self-formed. The thermal etching process gas preferably contains a halogen atom, and more preferably the halogen atom is a chlorine atom. Specifically, the process gas may be Cl 2 gas. Preferably, the process gas further includes a gas containing oxygen atoms in addition to the gas containing a halogen element. Specifically, the gas containing oxygen atoms may be O 2 gas. The process gas may contain a carrier gas. As the carrier gas, for example, N 2 gas, Ar gas, or He gas can be used. The heat treatment temperature for thermal etching is preferably 700 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower. The lower limit of this temperature is more preferably 800 ° C, and still more preferably 900 ° C. Further, the upper limit of this temperature is more preferably 1100 ° C., still more preferably 1000 ° C. In this case, the etching rate can be set to a sufficiently practical value. When the heat treatment temperature is set to 700 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower, the etching rate of silicon carbide is about 70 μm / hr, for example.

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実施の形態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 shown not by the above-described embodiment but by the scope of claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.

たとえば、必ずしも第1の導電型がn型でありかつ第2の導電型がp型である必要はなく、逆に第1の導電型がp型でありかつ第2の導電型がn型であってもよい。また導電型不純物を注入する工程において、炭化珪素基板の第1の面をエッチングする工程において用いられたマスクが必ずしも用いられる必要はない。言い換えれば、導電型不純物を注入する工程において用いられるマスクが別途形成されてもよい。またトレンチを形成するためのエッチングは熱エッチングに限定されるものではなく、他のドライエッチング方法が用いられてもよい。たとえば、反応性イオンエッチングまたはイオンビームエッチングなどのドライエッチングが用いられてもよい。またドライエッチングの代わりにウエットエッチングが用いられてもよい。   For example, the first conductivity type is not necessarily n-type and the second conductivity type is not necessarily p-type. Conversely, the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type. There may be. In the step of injecting the conductivity type impurity, the mask used in the step of etching the first surface of the silicon carbide substrate is not necessarily used. In other words, a mask used in the step of implanting the conductivity type impurity may be separately formed. Etching for forming the trench is not limited to thermal etching, and other dry etching methods may be used. For example, dry etching such as reactive ion etching or ion beam etching may be used. Further, wet etching may be used instead of dry etching.

10 チャネル領域、11 単結晶基板、12 エピタキシャル層、14 ゲート領域、40 ゲート電極、41 ソース電極、42 ドレイン電極、60 マスク、90 JFET(炭化珪素半導体装置)、BT 底面、MS マスキング部、OP 開口部、P1 上面(第1の面)、P2 下面(第2の面)、SB エピタキシャル基板(炭化珪素基板)、SD 側面、SW 側壁、TR トレンチ。   10 channel region, 11 single crystal substrate, 12 epitaxial layer, 14 gate region, 40 gate electrode, 41 source electrode, 42 drain electrode, 60 mask, 90 JFET (silicon carbide semiconductor device), BT bottom surface, MS masking portion, OP opening Part, P1 upper surface (first surface), P2 lower surface (second surface), SB epitaxial substrate (silicon carbide substrate), SD side surface, SW side wall, TR trench.

Claims (5)

厚さ方向において互いに対向する第1の面および第2の面を有し、第1の導電型を有する炭化珪素基板を準備する工程と、
前記炭化珪素基板の前記第1の面上に、開口部と、前記厚さ方向と交差する面内方向において前記開口部によって挟まれたマスキング部とを有するマスクを形成する工程と、
前記第1の面に対して90°よりも小さい角度だけ傾斜し前記面内方向において前記炭化珪素基板を部分的に挟む側壁を有するトレンチが前記第1の面上に形成されるように、前記マスクを用いて前記炭化珪素基板の前記第1の面をエッチングする工程と、
前記トレンチの前記側壁上に設けられ前記第1の導電型と異なる第2の導電型を有するゲート領域と、前記第1導電型を有し、かつ前記面内方向において前記ゲート領域によって挟まれた部分を有し、かつ前記第2の面をなす部分を有するチャネル領域とが、前記炭化珪素基板から形成されるように、前記炭化珪素基板の前記側壁上に、前記第1の導電型と異なる第2の導電型を炭化珪素に付与するための導電型不純物を注入する工程と、
前記トレンチ内に、前記ゲート領域に接しかつ前記チャネル領域から離れたゲート電極を形成する工程と、
前記第1の面上において前記チャネル領域に接するソース電極を形成する工程と、
前記第2の面上において前記チャネル領域に接するドレイン電極を形成する工程とを備える、炭化珪素半導体装置の製造方法。
Preparing a silicon carbide substrate having a first conductivity type and a first surface and a second surface facing each other in the thickness direction;
Forming a mask having an opening and a masking portion sandwiched between the openings in an in-plane direction intersecting the thickness direction on the first surface of the silicon carbide substrate;
The trench is formed on the first surface so as to have a side wall that is inclined with respect to the first surface by an angle smaller than 90 ° and partially sandwiches the silicon carbide substrate in the in-plane direction. Etching the first surface of the silicon carbide substrate using a mask;
A gate region provided on the sidewall of the trench and having a second conductivity type different from the first conductivity type; and having the first conductivity type and sandwiched between the gate regions in the in-plane direction A channel region having a portion and having a portion forming the second surface is different from the first conductivity type on the side wall of the silicon carbide substrate so as to be formed from the silicon carbide substrate. Injecting a conductivity type impurity for imparting a second conductivity type to silicon carbide;
Forming a gate electrode in the trench in contact with the gate region and away from the channel region;
Forming a source electrode in contact with the channel region on the first surface;
Forming a drain electrode in contact with the channel region on the second surface.
前記導電型不純物を注入する工程は前記マスクを用いて行われる、請求項1に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the step of injecting the conductivity type impurity is performed using the mask. 前記炭化珪素基板の前記第1の面をエッチングする工程は、熱エッチングを行う工程を含む、請求項1または2に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the step of etching the first surface of the silicon carbide substrate includes a step of performing thermal etching. 前記第1の導電型はn型である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the first conductivity type is an n-type. 炭化珪素半導体装置であって、
側壁を有するトレンチが設けられた第1の面と、厚さ方向において前記第1の面と対向する第2の面とを有する炭化珪素基板を備え、前記側壁は前記第1の面に対して90°よりも小さい角度だけ傾斜しており、前記側壁は前記厚さ方向と交差する面内方向において前記炭化珪素基板を部分的に挟んでおり、前記炭化珪素基板は、前記トレンチの前記側壁上に設けられ前記第1の導電型と異なる第2の導電型を有するゲート領域と、前記第1導電型を有し、かつ前記面内方向において前記ゲート領域によって挟まれた部分を有し、かつ前記第2の面をなす部分を有するチャネル領域とを含み、前記炭化珪素半導体装置はさらに
前記トレンチ内に設けられ、前記ゲート領域に接しかつ前記チャネル領域から離れたゲート電極と、
前記第1の面上において前記チャネル領域に接するソース電極と、
前記第2の面上において前記チャネル領域に接するドレイン電極とを備える、炭化珪素半導体装置。
A silicon carbide semiconductor device,
A silicon carbide substrate having a first surface provided with a trench having a side wall and a second surface facing the first surface in the thickness direction; and the side wall with respect to the first surface The sidewall is inclined by an angle smaller than 90 °, and the sidewall partially sandwiches the silicon carbide substrate in an in-plane direction intersecting the thickness direction, and the silicon carbide substrate is disposed on the sidewall of the trench. A gate region having a second conductivity type different from the first conductivity type, a portion having the first conductivity type and sandwiched between the gate regions in the in-plane direction, and A channel region having a portion forming the second surface, wherein the silicon carbide semiconductor device is further provided in the trench, and a gate electrode in contact with the gate region and away from the channel region;
A source electrode in contact with the channel region on the first surface;
A silicon carbide semiconductor device comprising: a drain electrode in contact with the channel region on the second surface.
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