JP2021082689A - Silicon carbide semiconductor device, and method for manufacturing the same - Google Patents

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善行 酒井
Yoshiyuki Sakai
善行 酒井
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Abstract

To provide a silicon carbide semiconductor device which can prevent the decrease in the channel mobility, and the worsening of the reliability of a gate insulative film, and a method for manufacturing such a silicon carbide semiconductor device.SOLUTION: A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device comprises the step of removing, by etching, a dopant precipitation layer produced on a trench inner wall during a thermal treatment or an excessive carbon precipitation layer produced on a trench inner wall by sacrificial oxidation before deposition of a gate insulative film and after the thermal treatment for rounding a trench corner portion. The etching is a low-damage etching by use of plasma of an etching gas containing no carbon nor oxygen. The low-damage etching step does not cause the re-formation of the excessive carbon precipitation layer on a trench side wall nor the re-deposition of a CF-based polymer thereon. In addition, thanks to the low-damage etching, the height of a protrusion formed on the trench side wall during trench etching is made 3 nm or smaller, and the trench side wall becomes a flat face. Thus, roughness scattering by the trench side wall can be decreased.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

この発明は、炭化珪素半導体装置および炭化珪素半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a silicon carbide semiconductor device and a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device.

従来、炭化珪素(SiC)を半導体材料として用いたトレンチゲート構造の縦型MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:金属−酸化膜−半導体の3層構造からなる絶縁ゲートを備えたMOS型電界効果トランジスタ)では、トレンチの形成時か、またはトレンチの形成後でゲート絶縁膜の形成前までに行う諸処理によって、トレンチの内壁にダメージ層、余剰カーボン(C)析出層およびドーパントの析出層などが生じることが知られている。 Conventionally, a vertical MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) having a trench gate structure using silicon carbide (SiC) as a semiconductor material: a MOS type field effect transistor having an insulating gate having a three-layer structure of metal-oxide film-semiconductor. In), a damage layer, a surplus carbon (C) precipitation layer, a dopant precipitation layer, and the like are formed on the inner wall of the trench by various treatments performed at the time of forming the trench or before the formation of the gate insulating film after the formation of the trench. It is known.

例えば、炭化珪素からなる半導体基板には、高密度プラズマによる異方性エッチングによりトレンチを形成するが、プラズマから生成されたイオンやラジカルの衝突により、トレンチの内壁にダメージ層が形成される。トレンチの内壁のダメージ層を除去するためにトレンチの内壁を犠牲酸化する場合、トレンチの内壁を犠牲酸化して酸化シリコン(SiO2)膜が形成されることで、トレンチの内壁の表面領域(炭化珪素部)から余剰カーボンが脱離してトレンチの内壁に析出され、余剰カーボン析出層が形成される。 For example, in a semiconductor substrate made of silicon carbide, a trench is formed by anisotropic etching with high-density plasma, and a damage layer is formed on the inner wall of the trench due to collision of ions and radicals generated from the plasma. When sacrificing oxidation of the inner wall of the trench to remove the damaged layer of the inner wall of the trench, the surface region (carbonization) of the inner wall of the trench is formed by sacrificing the inner wall of the trench to form a silicon oxide (SiO 2) film. Excess carbon is desorbed from the silicon portion) and deposited on the inner wall of the trench to form an excess carbon precipitation layer.

トレンチのコーナー部(角部)を丸めるための高温度アニール(熱処理)を行う場合、トレンチの内壁表面にドーパントが再析出されて高不純物濃度のドーパントの析出層が形成される。これらトレンチの内壁のダメージ層、余剰カーボン析出層およびドーパントの析出層は、トレンチの内壁を四フッ化炭素(CF4)および酸素(O2)を含むガスを用いたケミカルドライエッチング(CDE:Chemical Dry Etching)またはプラズマエッチング(PE:Plasma Etching)することで除去される。 When high temperature annealing (heat treatment) is performed to round the corners (corners) of the trench, the dopant is redisposited on the inner wall surface of the trench to form a precipitation layer of the dopant having a high impurity concentration. The damaged layer, excess carbon precipitation layer, and dopant precipitation layer on the inner wall of the trench are chemically dry-etched (CDE) using a gas containing carbon tetrafluoride (CF 4 ) and oxygen (O 2) on the inner wall of the trench. It is removed by Dry Etching) or plasma etching (PE: Plasma Etching).

従来の炭化珪素半導体装置の製造方法について、MOSFETを例に説明する。図7は、従来の炭化珪素半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。従来の炭化珪素半導体装置のMOSゲートを形成するにあたって、まず、フォトリソグラフィおよびエッチング(以下、トレンチエッチングとする)により、半導体基板のおもて面から所定深さに達するトレンチを形成する(ステップS101)。このトレンチエッチングは、例えば、高密度プラズマによる異方性エッチングである。 A method for manufacturing a conventional silicon carbide semiconductor device will be described by taking MOSFET as an example. FIG. 7 is a flowchart showing an outline of a conventional method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device. In forming the MOS gate of the conventional silicon carbide semiconductor device, first, a trench reaching a predetermined depth from the front surface of the semiconductor substrate is formed by photolithography and etching (hereinafter referred to as trench etching) (step S101). ). This trench etching is, for example, anisotropic etching using a high-density plasma.

半導体基板は、炭化珪素を半導体材料として用いたn+型出発基板のおもて面上に、n-型ドリフト領域およびp型ベース領域となる各エピタキシャル層が順に積層されてなる。半導体基板の、p型ベース領域となるp型エピタキシャル層側の主面をおもて面とし、n+型出発基板側の主面を裏面とする。ステップS101の処理において、トレンチは、半導体基板のおもて面から、p型エピタキシャル層内に形成されたn+型ソース領域およびp型ベース領域を貫通してn-型ドリフト領域に達する。 The semiconductor substrate is formed by sequentially laminating each epitaxial layer serving as an n- type drift region and a p-type base region on the front surface of an n + type starting substrate using silicon carbide as a semiconductor material. The main surface of the semiconductor substrate on the p-type epitaxial layer side, which is the p-type base region, is the front surface, and the main surface on the n + type departure substrate side is the back surface. In the process of step S101, the trench penetrates the n + type source region and the p-type base region formed in the p-type epitaxial layer from the front surface of the semiconductor substrate and reaches the n- type drift region.

トレンチの内壁には、トレンチエッチングによるダメージ層が形成される。また、トレンチエッチングにおいて、n-型ドリフト領域とp型ベース領域との第1境界付近、および、p型ベース領域とn+型ソース領域との第2境界付近のエッチングレートは、エピタキシャル層の第1,第2境界間の部分のエッチングレートよりも遅い。エピタキシャル層のエッチングレートの遅い部分はトレンチの側壁上に突起として残る。このため、トレンチ7の側壁において突起による段差が形成される。 A damage layer due to trench etching is formed on the inner wall of the trench. Further, in trench etching, the etching rates near the first boundary between the n- type drift region and the p-type base region and near the second boundary between the p-type base region and the n + type source region are the second in the epitaxial layer. 1, It is slower than the etching rate of the part between the second boundaries. The slow etching rate portion of the epitaxial layer remains as protrusions on the side walls of the trench. Therefore, a step is formed on the side wall of the trench 7 due to the protrusion.

次に、プラズマエッチングまたは高温度(例えば1500℃以上)アニールにより、トレンチのコーナー部を丸める(ステップS102)。ステップS102の処理により、トレンチの内壁のエッチングと、トレンチの内壁の珪素(Si)および炭素(C)の表面拡散と、が同時に起こり、トレンチのコーナー部が丸まる。また、ステップS102の処理を高温度アニールで行う場合、上述したようにトレンチの内壁に高不純物濃度のドーパントの析出層が形成される。 Next, the corners of the trench are rounded by plasma etching or high temperature (for example, 1500 ° C. or higher) annealing (step S102). By the process of step S102, etching of the inner wall of the trench and surface diffusion of silicon (Si) and carbon (C) of the inner wall of the trench occur at the same time, and the corner portion of the trench is rounded. Further, when the treatment of step S102 is performed by high temperature annealing, a precipitation layer of a dopant having a high impurity concentration is formed on the inner wall of the trench as described above.

次に、トレンチの内壁を犠牲酸化して犠牲酸化膜を形成し(ステップS103)、当該犠牲酸化膜を除去することで、トレンチの内壁に生じたダメージ層やドーパントの析出層を除去する。ステップS103の犠牲酸化により、上述したようにトレンチの内壁に余剰カーボン析出層が形成される。ステップS103の処理は省略可能である。次に、CF4およびO2を含むガスを用いて、トレンチの内壁をケミカルドライエッチングまたはプラズマエッチングする(ステップS104)。 Next, the inner wall of the trench is sacrificed to oxidize to form a sacrificial oxide film (step S103), and the sacrificial oxide film is removed to remove the damaged layer and the precipitate layer of the dopant generated on the inner wall of the trench. Due to the sacrificial oxidation in step S103, an excess carbon precipitation layer is formed on the inner wall of the trench as described above. The process of step S103 can be omitted. Next, the inner wall of the trench is chemically dry-etched or plasma-etched using a gas containing CF 4 and O 2 (step S104).

ステップS104の処理により、トレンチの内壁の余剰カーボン析出層が除去される。ステップS103の処理を省略した場合、ステップS104の処理により、トレンチの内壁のダメージ層およびドーパントの析出層が除去される。次に、トレンチの内壁に沿ってゲート絶縁膜を堆積した後(ステップS105)、トレンチの内部にゲート電極を形成する(ステップS106)。そして、図示省略するMOSゲート以外の各部を一般的な方法により所定のタイミングで形成することで、従来の炭化珪素半導体装置が完成する。 The treatment in step S104 removes the excess carbon precipitation layer on the inner wall of the trench. When the process of step S103 is omitted, the process of step S104 removes the damaged layer on the inner wall of the trench and the precipitation layer of the dopant. Next, after depositing a gate insulating film along the inner wall of the trench (step S105), a gate electrode is formed inside the trench (step S106). Then, the conventional silicon carbide semiconductor device is completed by forming each part other than the MOS gate (not shown) at a predetermined timing by a general method.

従来の炭化珪素半導体装置の製造方法として、トレンチの形成後、トレンチの内壁を犠牲酸化することなくそのまま、もしくは、CF4およびO2を含むガスを用いたケミカルドライエッチングによりトレンチの内壁のダメージ層を除去した後に、ゲート絶縁膜を堆積する方法が提案されている(例えば、下記特許文献1参照。)。下記特許文献1では、トレンチの内壁を犠牲酸化しないことで、p型ベース領域よりも不純物濃度の高いn+型ソース領域が露出された部分でトレンチ内壁が増速酸化されることを防止している。 As a conventional method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, after the trench is formed, the inner wall of the trench is not sacrificed to be oxidized, or the damaged layer on the inner wall of the trench is subjected to chemical dry etching using a gas containing CF 4 and O 2. A method of depositing a gate insulating film after removing the above-mentioned material has been proposed (see, for example, Patent Document 1 below). In Patent Document 1 below, by not sacrificing oxidation of the inner wall of the trench, it is possible to prevent the inner wall of the trench from being rapidly oxidized in the exposed portion of the n + type source region having a higher impurity concentration than the p-type base region. There is.

特許第6299102号公報Japanese Patent No. 6299102

しかしながら、CF4およびO2を含むガスを用いたエッチングでは、トレンチの内壁が薄く酸化されてトレンチの内壁に余剰カーボン析出層が再形成されたり、フッ素を含むカーボン系ポリマー(重合体)が生成されてトレンチの内壁に付着されるなど、新たな問題が生じる。トレンチの内壁に形成された余剰カーボン析出層は、チャネル移動度を低下させて、オン抵抗を高くする原因となる。トレンチの内壁に形成されたフッ素を含むカーボン系ポリマーは、ゲート絶縁膜の信頼性を低下させる原因となる。 However, in etching using a gas containing CF 4 and O 2 , the inner wall of the trench is thinly oxidized to re-form an excess carbon precipitation layer on the inner wall of the trench, or a carbon-based polymer containing fluorine is generated. It causes new problems such as being adhered to the inner wall of the trench. The excess carbon precipitation layer formed on the inner wall of the trench causes a decrease in channel mobility and an increase in on-resistance. The fluorine-containing carbon-based polymer formed on the inner wall of the trench causes a decrease in the reliability of the gate insulating film.

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、チャネル移動度の低下を防止することができるとともに、ゲート絶縁膜の信頼性の低下を防止することができる炭化珪素半導体装置および炭化珪素半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned problems caused by the prior art, and thus can prevent a decrease in channel mobility and a decrease in reliability of the gate insulating film. Silicon carbide semiconductor device and silicon carbide An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device.

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる炭化珪素半導体装置は、次の特徴を有する。炭化珪素からなる半導体基板の内部に、第1導電型の第1半導体領域が設けられている。前記半導体基板の第1主面と前記第1半導体領域との間に、第2導電型の第2半導体領域が設けられている。前記半導体基板の第1主面と前記第2半導体領域との間に、第1導電型の第3半導体領域が選択的に設けられている。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object of the present invention, the silicon carbide semiconductor device according to the present invention has the following features. A first conductive type first semiconductor region is provided inside a semiconductor substrate made of silicon carbide. A second conductive type second semiconductor region is provided between the first main surface of the semiconductor substrate and the first semiconductor region. A first conductive type third semiconductor region is selectively provided between the first main surface of the semiconductor substrate and the second semiconductor region.

トレンチは、前記第3半導体領域および前記第2半導体領域を貫通して前記第1半導体領域に達する。ゲート絶縁膜は、前記トレンチの内壁に沿って設けられている。ゲート電極は、前記トレンチの内部において前記ゲート絶縁膜の上に設けられている。第1電極は、前記第3半導体領域および前記第2半導体領域に電気的に接続されている。第2電極は、前記半導体基板の第2主面に設けられている。前記トレンチの側壁において異なる導電型の領域の界面で突起高さが3nm以下である。 The trench penetrates the third semiconductor region and the second semiconductor region and reaches the first semiconductor region. The gate insulating film is provided along the inner wall of the trench. The gate electrode is provided on the gate insulating film inside the trench. The first electrode is electrically connected to the third semiconductor region and the second semiconductor region. The second electrode is provided on the second main surface of the semiconductor substrate. The protrusion height is 3 nm or less at the interface of different conductive type regions on the side wall of the trench.

また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、次の特徴を有する。炭化珪素からなる第1導電型の出発基板の上に、前記出発基板よりも不純物濃度の低い第1導電型の第1半導体領域となる第1導電型炭化珪素層を形成する第1工程を行う。前記第1導電型炭化珪素層の上に、第2導電型の第2半導体領域となる第2導電型炭化珪素層を形成する第2工程を行う。前記第2導電型炭化珪素層の表面領域に、第1導電型の第3半導体領域を選択的に形成する第3工程を行う。第1エッチングにより、前記第3半導体領域および前記第2導電型炭化珪素層を貫通して前記第1導電型炭化珪素層に達するトレンチを形成する第4工程を行う。 Further, in order to solve the above-mentioned problems and achieve the object of the present invention, the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention has the following features. A first step is performed on the first conductive type starting substrate made of silicon carbide to form a first conductive type silicon carbide layer which is a first conductive type first semiconductor region having a lower impurity concentration than the starting substrate. .. The second step of forming the second conductive type silicon carbide layer to be the second conductive type second semiconductor region is performed on the first conductive type silicon carbide layer. The third step of selectively forming the first conductive type third semiconductor region on the surface region of the second conductive type silicon carbide layer is performed. The fourth step of forming a trench that penetrates the third semiconductor region and the second conductive silicon carbide layer and reaches the first conductive silicon carbide layer by the first etching is performed.

熱処理により前記トレンチのコーナー部を丸める第5工程を行う。前記第5工程の後、プラズマ雰囲気において前記トレンチの内壁を第2エッチングする第6工程を行う。前記第6工程の後、前記トレンチの内壁に沿ってゲート絶縁膜を堆積する第7工程を行う。前記トレンチの内部において前記ゲート絶縁膜の上にゲート電極を形成する第8工程を行う。前記第2エッチングのエッチングガスは、炭素を含む付着物を前記トレンチの内壁に付着させる第1元素と、前記トレンチの内壁を酸化させる第2元素と、を含まない。 The fifth step of rounding the corner portion of the trench by heat treatment is performed. After the fifth step, a sixth step of second etching the inner wall of the trench in a plasma atmosphere is performed. After the sixth step, a seventh step of depositing a gate insulating film along the inner wall of the trench is performed. The eighth step of forming the gate electrode on the gate insulating film inside the trench is performed. The etching gas of the second etching does not contain a first element that attaches carbon-containing deposits to the inner wall of the trench and a second element that oxidizes the inner wall of the trench.

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第1元素は炭素であることを特徴とする。 Further, the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the first element is carbon.

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第2元素は酸素であることを特徴とする。 Further, the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the second element is oxygen.

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第2エッチングのエッチングガスは、三フッ化窒素ガスであることを特徴とする。 Further, the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the etching gas for the second etching is nitrogen trifluoride gas.

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第2エッチングのエッチングガスは、三フッ化塩素ガスであることを特徴とする。 Further, the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the etching gas for the second etching is chlorine trifluoride gas.

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第2エッチングは、ケミカルドライエッチングであることを特徴とする。 Further, the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the second etching is chemical dry etching.

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第2エッチングのエッチング量は、前記トレンチの側壁から前記トレンチの側壁と直交する方向に100nm以下の厚さであることを特徴とする。 Further, in the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention, in the above-described invention, the etching amount of the second etching is 100 nm or less in the direction orthogonal to the side wall of the trench from the side wall of the trench. It is characterized by that.

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第6工程では、前記第4工程の前記第1エッチングにおいて、前記トレンチの側壁における、前記第1導電型炭化珪素層と前記第2導電型炭化珪素層との境界、および、前記第2導電型炭化珪素層と前記第3半導体領域との境界と、各境界の間の表面と、のエッチングレートが異なることにより、前記各境界にそれぞれ生じた突起の高さを前記第2エッチングにより低くして3nm以下にすることを特徴とする。 Further, the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention is the above-described invention, in the sixth step, in the first etching of the fourth step, the first conductive type silicon carbide on the side wall of the trench. Due to the difference in etching rate between the boundary between the layer and the second conductive silicon carbide layer, the boundary between the second conductive silicon carbide layer and the third semiconductor region, and the surface between the boundaries. The height of the protrusions formed at each of the boundaries is lowered by the second etching to be 3 nm or less.

上述した発明によれば、第2エッチングに用いるエッチングガスに、トレンチの内壁を酸化させる第2元素が含まれていないことで、第2エッチング時に、トレンチの内壁が酸化されないため、トレンチの内壁に余剰カーボン析出層が再形成されない。第2エッチングに用いるエッチングガスに、炭素を含む付着物をトレンチの内壁に付着させる第1元素が含まれていないことで、第2エッチング時に、トレンチの内壁にフッ素を含むカーボン系ポリマーが付着しない。 According to the invention described above, since the etching gas used for the second etching does not contain the second element that oxidizes the inner wall of the trench, the inner wall of the trench is not oxidized at the time of the second etching, so that the inner wall of the trench is formed. The excess carbon precipitation layer is not reformed. Since the etching gas used for the second etching does not contain the first element that attaches carbon-containing deposits to the inner wall of the trench, the carbon-based polymer containing fluorine does not adhere to the inner wall of the trench during the second etching. ..

本発明にかかる炭化珪素半導体装置および炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、チャネル移動度の低下を防止することができるとともに、ゲート絶縁膜の信頼性の低下を防止することができるという効果を奏する。 According to the silicon carbide semiconductor device and the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the present invention, it is possible to prevent a decrease in channel mobility and a decrease in reliability of the gate insulating film. Play.

実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の構造の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the structure of the silicon carbide semiconductor device which concerns on embodiment. 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the outline of the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device which concerns on embodiment. 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state in the manufacturing process of the silicon carbide semiconductor device which concerns on embodiment. 図3の枠Aで囲む部分の表面形状をAFMで検出した結果を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the result of having detected the surface shape of the part surrounded by the frame A of FIG. 3 by AFM. 図4のトレンチの側壁の一部を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which shows the part of the side wall of the trench of FIG. 4 enlarged. 図2のステップS4の処理直後のトレンチの側壁の表面形状を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the surface shape of the side wall of the trench immediately after the processing of step S4 of FIG. 従来の炭化珪素半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the outline of the manufacturing method of the conventional silicon carbide semiconductor device.

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる炭化珪素半導体装置および炭化珪素半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、nまたはpを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、nやpに付す+および−は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the silicon carbide semiconductor device and the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the present specification and the accompanying drawings, it means that electrons or holes are a large number of carriers in the layers and regions marked with n or p, respectively. Further, + and-attached to n and p mean that the impurity concentration is higher and the impurity concentration is lower than the layers and regions to which they are not attached, respectively. In the following description of the embodiment and the attached drawings, the same reference numerals are given to the same configurations, and duplicate description will be omitted.

(実施の形態)
実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の構造について、MOSFETを例に説明する。図1は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の構造の一例を示す断面図である。図1に示す実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置10は、炭化珪素(SiC)を半導体材料として用いた半導体基板(半導体チップ)30のおもて面側に一般的なトレンチゲート構造を備えた縦型MOSFETである。
(Embodiment)
The structure of the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment will be described by taking MOSFET as an example. FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of the structure of the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment. The silicon carbide semiconductor device 10 according to the embodiment shown in FIG. 1 is provided with a general trench gate structure on the front surface side of a semiconductor substrate (semiconductor chip) 30 using silicon carbide (SiC) as a semiconductor material. It is a vertical MOSFET.

半導体基板30は、炭化珪素を半導体材料として用いたn+型出発基板31のおもて面上に、n型バッファ領域2、n-型ドリフト領域(第1半導体領域)3およびp型ベース領域(第2半導体領域)4となる各エピタキシャル層32〜34が順に積層されてなる。半導体基板30のp型エピタキシャル層34側の主面をおもて面とし、n+型出発基板31側の主面(n+型出発基板31の裏面)を裏面とする。n+型出発基板31は、n+型ドレイン領域1である。 The semiconductor substrate 30 has an n-type buffer region 2, an n - type drift region (first semiconductor region) 3, and a p-type base region on the front surface of an n + type starting substrate 31 using silicon carbide as a semiconductor material. Each epitaxial layer 32 to 34 (second semiconductor region) 4 is laminated in order. The main surface of the semiconductor substrate 30 on the p-type epitaxial layer 34 side is the front surface, and the main surface of the n + type departure substrate 31 side ( the back surface of the n + type departure substrate 31) is the back surface. The n + type starting board 31 is an n + type drain region 1.

n型エピタキシャル層32は、n型バッファ領域2である。n型バッファ領域2は設けられていなくてもよい。n-型ドリフト領域3は、n-型エピタキシャル層33(第1導電型炭化珪素層)であり、深さ方向Zにn型バッファ領域2(n型バッファ領域2が設けられていない場合はn+型ドレイン領域1)に接する。p型ベース領域4は、半導体基板30のおもて面とn-型ドリフト領域3との間に、n-型ドリフト領域3に接して設けられている。 The n-type epitaxial layer 32 is an n-type buffer region 2. The n-type buffer area 2 may not be provided. The n - type drift region 3 is an n - type epitaxial layer 33 (first conductive type silicon carbide layer), and is n when the n-type buffer region 2 (n-type buffer region 2 is not provided) in the depth direction Z. It touches the + type drain region 1). The p-type base region 4 is provided between the front surface of the semiconductor substrate 30 and the n - type drift region 3 in contact with the n - type drift region 3.

半導体基板30のおもて面とp型ベース領域4との間に、p型ベース領域4に接して、n+型ソース領域(第3半導体領域)5およびp+型コンタクト領域6がそれぞれ選択的に設けられている。n+型ソース領域5およびp+型コンタクト領域6は、半導体基板30のおもて面に露出されている。p型エピタキシャル層(第2導電型炭化珪素層)34の、n+型ソース領域5およびp+型コンタクト領域6を除く部分がp型ベース領域4である。 Between the front surface of the semiconductor substrate 30 and the p-type base region 4, the n + type source region (third semiconductor region) 5 and the p + type contact region 6 are selected in contact with the p-type base region 4, respectively. It is provided as a target. The n + type source region 5 and the p + type contact region 6 are exposed on the front surface of the semiconductor substrate 30. The portion of the p-type epitaxial layer (second conductive type silicon carbide layer) 34 excluding the n + type source region 5 and the p + type contact region 6 is the p-type base region 4.

p型ベース領域4の、n+型ソース領域5とn-型ドリフト領域3とに挟まれた部分に、MOSFETがオン状態のときにチャネル(n型の反転層)4aが形成される。p+型コンタクト領域6を設けずに、p型ベース領域4が半導体基板30のおもて面に露出されてもよい。トレンチ7は、半導体基板30のおもて面から深さ方向Zにn+型ソース領域5およびp型ベース領域4を貫通してn-型ドリフト領域3に達する。 A channel (n-type inversion layer) 4a is formed in a portion of the p-type base region 4 sandwiched between the n + type source region 5 and the n -type drift region 3 when the MOSFET is on. without providing the p + -type contact region 6, p-type base region 4 may be exposed on the front surface of the semiconductor substrate 30. The trench 7 penetrates the n + type source region 5 and the p-type base region 4 in the depth direction Z from the front surface of the semiconductor substrate 30 and reaches the n- type drift region 3.

トレンチ7は、例えば、半導体基板30のおもて面に平行な第1方向Xに直線状に延在している。トレンチ7のコーナー部(角部)は丸められている。トレンチ7のコーナー部が丸められていることで、トレンチ7のコーナー部のゲート絶縁膜8にかかる電界を緩和することができるため、ゲート耐圧を確保することができる。トレンチ7のコーナー部とは、トレンチ7の側壁と底面との境界である。 The trench 7 extends linearly in the first direction X parallel to the front surface of the semiconductor substrate 30, for example. The corners (corners) of the trench 7 are rounded. Since the corner portion of the trench 7 is rounded, the electric field applied to the gate insulating film 8 at the corner portion of the trench 7 can be relaxed, so that the gate withstand voltage can be ensured. The corner portion of the trench 7 is a boundary between the side wall and the bottom surface of the trench 7.

トレンチ7の側壁で、n-型ドリフト領域3とp型ベース領域4との第1境界41と、p型ベース領域4とn+型ソース領域5との第2境界42と、が終端している。第1,2境界41,42の終端部は、トレンチ7の側壁に露出されている。これら第1,2境界41,42の終端部においてトレンチ7の側壁に段差は生じておらず、トレンチ7の側壁の全面にわたってトレンチ7の側壁は略平坦面である。 At the side wall of the trench 7, the first boundary 41 between the n- type drift region 3 and the p-type base region 4 and the second boundary 42 between the p-type base region 4 and the n + type source region 5 are terminated. There is. The end portions of the first, second, and first boundaries 41 and 42 are exposed on the side wall of the trench 7. No step is formed on the side wall of the trench 7 at the end portions of the first and second boundaries 41 and 42, and the side wall of the trench 7 is a substantially flat surface over the entire surface of the side wall of the trench 7.

トレンチ7の側壁に段差が生じていないとは、トレンチ7の側壁において第1,2境界41,42の終端部にそれぞれ生じた突起41a,42a(後述する図3参照)の高さが3nm以下程度であることを意味する。トレンチ7の側壁の突起41a,42aの高さとは、トレンチ7の側壁の突起41a,42aの頂点から、トレンチ7の側壁表面の、突起41a,42aを除く部分までの距離d(図3参照)である。 The fact that there is no step on the side wall of the trench 7 means that the heights of the protrusions 41a and 42a (see FIG. 3 to be described later) formed at the end portions of the first, second boundaries 41 and 42 on the side wall of the trench 7 are 3 nm or less. It means that it is a degree. The height of the protrusions 41a and 42a on the side wall of the trench 7 is the distance d from the apex of the protrusions 41a and 42a on the side wall of the trench 7 to the portion of the side wall surface of the trench 7 excluding the protrusions 41a and 42a (see FIG. 3). Is.

トレンチ7の側壁の突起41a,42aは、トレンチ7の側壁と直交する第2方向Yにトレンチ7の内部へ突出し、トレンチ7の側壁に沿って第1方向Xに延在している。トレンチ7の側壁の突起41a,42aは、それぞれ第1,2境界41,42の終端部上で最も突出した箇所(頂点)を有し、当該頂点から半導体基板30の両主面側へそれぞれ向かうにしたがって低くなる略三角形状の断面形状を有する。 The protrusions 41a and 42a on the side wall of the trench 7 project into the inside of the trench 7 in the second direction Y orthogonal to the side wall of the trench 7, and extend in the first direction X along the side wall of the trench 7. The protrusions 41a and 42a on the side walls of the trench 7 have the most protruding points (vertices) on the end portions of the first and second boundaries 41 and 42, respectively, and are directed from the vertices toward both main surfaces of the semiconductor substrate 30. It has a substantially triangular cross-sectional shape that becomes lower as it increases.

トレンチ7の内壁に沿ってゲート絶縁膜8が設けられている。ゲート絶縁膜8は、例えば高温酸化(HTO:High Temperature Oxide)膜等の堆積酸化膜である。トレンチ7の内部においてゲート絶縁膜8上に、トレンチ7の内部を埋め込むようにゲート電極9が設けられている。これらトレンチ7、ゲート絶縁膜8およびゲート電極9によりMOSゲートが構成される。 A gate insulating film 8 is provided along the inner wall of the trench 7. The gate insulating film 8 is a deposited oxide film such as a high temperature oxidation (HTO: High Temperature Oxide) film. A gate electrode 9 is provided on the gate insulating film 8 inside the trench 7 so as to embed the inside of the trench 7. The MOS gate is composed of the trench 7, the gate insulating film 8, and the gate electrode 9.

層間絶縁膜11は、半導体基板30のおもて面に設けられ、ゲート電極9を覆う。ソース電極12は、層間絶縁膜11のコンタクトホールに埋め込まれるように、層間絶縁膜11上に設けられている。ソース電極12は、コンタクトホールを介してn+型ソース領域5およびp+型コンタクト領域6にオーミック接触して、p型ベース領域4、n+型ソース領域5およびp+型コンタクト領域6に電気的に接続されている。 The interlayer insulating film 11 is provided on the front surface of the semiconductor substrate 30 and covers the gate electrode 9. The source electrode 12 is provided on the interlayer insulating film 11 so as to be embedded in the contact hole of the interlayer insulating film 11. The source electrode 12 makes ohmic contact with the n + type source region 5 and the p + type contact region 6 through the contact hole, and electrically contacts the p type base region 4, the n + type source region 5 and the p + type contact region 6. Is connected.

+型コンタクト領域6が設けられていない場合、ソース電極12は、p+型コンタクト領域6に代えてp型ベース領域4にオーミック接触する。半導体基板30の裏面(n+型出発基板31の裏面)の全面にドレイン電極13が設けられている。ドレイン電極13は、n+型ドレイン領域1(n+型出発基板31)に接し、n+型ドレイン領域1に電気的に接続されている。 If p + -type contact region 6 is not provided, the source electrode 12 is in ohmic contact with the p-type base region 4 in place of the p + -type contact region 6. The drain electrode 13 is provided on the entire back surface of the semiconductor substrate 30 (the back surface of the n + type starting substrate 31). The drain electrode 13 is in contact with the n + type drain region 1 (n + type starting substrate 31) and is electrically connected to the n + type drain region 1.

次に、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置10の製造方法について、図1〜6を参照して説明する。図2は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。図2には、MOSゲートの形成工程のみを示す。図3は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。図3には、図2のステップS4の処理直後のトレンチ7を第2方向Yに平行な切断線で切断した断面構造を示す。 Next, the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device 10 according to the embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 6. FIG. 2 is a flowchart showing an outline of a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to an embodiment. FIG. 2 shows only the process of forming the MOS gate. FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state in the middle of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment. FIG. 3 shows a cross-sectional structure in which the trench 7 immediately after the processing in step S4 of FIG. 2 is cut along a cutting line parallel to the second direction Y.

図4は、図3の枠Aで囲む部分(トレンチ7の側壁)の表面形状を原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscope)で検出した結果を模式的に示す斜視図である。図4には、図2のステップS1の処理直後のトレンチの側壁の表面形状を模式的に示す。図5は、図4のトレンチの側壁の一部を示す平面図である。図6は、図2のステップS4の処理直後のトレンチの側壁の表面形状を模式的に示す平面図である。 FIG. 4 is a perspective view schematically showing the result of detecting the surface shape of the portion (side wall of the trench 7) surrounded by the frame A of FIG. 3 with an atomic force microscope (AFM: Atomic Force Microscope). FIG. 4 schematically shows the surface shape of the side wall of the trench immediately after the treatment of step S1 of FIG. FIG. 5 is a plan view showing a part of the side wall of the trench of FIG. FIG. 6 is a plan view schematically showing the surface shape of the side wall of the trench immediately after the processing of step S4 of FIG.

図5,6は、トレンチ7の側壁を第2方向Yから見たものであり、トレンチ7の側壁の同一箇所(突起41a,42a付近)を示している。図4のグラフ軸(3軸)について、距離x,yはそれぞれ第1,2方向X,Yの平行線上の距離であり、深さzは深さ方向Zの平行線上の距離(深さ)である。図5,6のグラフ軸(2軸)について、距離x,yはそれぞれ第1,2方向X,Yの平行線上の距離である。図4〜6には、第2方向Yの高低差をハッチングで示す。 5 and 6 show the side wall of the trench 7 as viewed from the second direction Y, and show the same location (near the protrusions 41a and 42a) of the side wall of the trench 7. Regarding the graph axes (3 axes) in FIG. 4, the distances x and y are the distances on the parallel lines in the first and second directions X and Y, respectively, and the depth z is the distance (depth) on the parallel lines in the depth direction Z. Is. With respect to the graph axes (2 axes) of FIGS. 5 and 6, the distances x and y are distances on parallel lines in the first and second directions X and Y, respectively. FIGS. 4 to 6 show the height difference in the second direction Y by hatching.

まず、炭化珪素を半導体材料として用いたn+型ドレイン領域1となるn+型出発基板31を用意する。次に、n+型出発基板31のおもて面上に、n型バッファ領域2、n-型ドリフト領域3およびp型ベース領域4となる各エピタキシャル層32〜34を順にエピタキシャル成長させて半導体基板(半導体ウエハ)30を作製する。n型エピタキシャル層32の厚さは、例えば1μm程度であってもよい。 First, an n + type starting substrate 31 serving as an n + type drain region 1 using silicon carbide as a semiconductor material is prepared. Next, each epitaxial layer 32 to 34 serving as an n-type buffer region 2, an n - type drift region 3 and a p-type base region 4 is epitaxially grown on the front surface of the n + type starting substrate 31 to form a semiconductor substrate. (Semiconductor wafer) 30 is manufactured. The thickness of the n-type epitaxial layer 32 may be, for example, about 1 μm.

次に、イオン注入により、p型エピタキシャル層34の表面領域にn+型ソース領域5およびp+型コンタクト領域6をそれぞれ選択的に形成する。次に、イオン注入で導入した不純物を活性化させるための熱処理を行う。この熱処理は、イオン注入で形成するすべての拡散領域(n+型ソース領域5およびp+型コンタクト領域6)の形成後にまとめて1回行ってもよいし、イオン注入により拡散領域を形成するごとに行ってもよい。 Next, the n + type source region 5 and the p + type contact region 6 are selectively formed in the surface region of the p-type epitaxial layer 34 by ion implantation. Next, a heat treatment is performed to activate the impurities introduced by ion implantation. This heat treatment may be performed once after the formation of all the diffusion regions (n + type source region 5 and p + type contact region 6) formed by ion implantation, or each time the diffusion region is formed by ion implantation. You may go to.

次に、フォトリソグラフィおよびエッチング(トレンチエッチング)により、半導体基板30のおもて面からn+型ソース領域5およびp型ベース領域4を貫通してn-型ドリフト領域3に達するトレンチ7を形成する(ステップS1:第4工程)。トレンチエッチングは、例えば、高密度プラズマによる異方性エッチングである。トレンチ7の内壁には、トレンチエッチングによるダメージ層(不図示)が形成される。 Next, by photolithography and etching (trench etching), a trench 7 is formed from the front surface of the semiconductor substrate 30 through the n + type source region 5 and the p-type base region 4 to reach the n-type drift region 3. (Step S1: Fourth step). The trench etching is, for example, anisotropic etching using a high-density plasma. A damage layer (not shown) due to trench etching is formed on the inner wall of the trench 7.

このトレンチエッチングにおいて、トレンチ7の側壁に突起41a’,42a’による段差が形成される(図4,5)。エピタキシャル層33,34の第1,2境界41,42付近のエッチングレートがエピタキシャル層33,34の第1,2境界41,42間の部分のエッチングレートよりも遅いことで、エピタキシャル層33,34のエッチングレートの遅い部分がトレンチ7の側壁上に突起41a’,42a’として残るためと推測される。 In this trench etching, a step is formed on the side wall of the trench 7 by the protrusions 41a'and 42a' (FIGS. 4 and 5). Since the etching rate near the first and second boundaries 41 and 42 of the epitaxial layers 33 and 34 is slower than the etching rate of the portion between the first and second boundaries 41 and 42 of the epitaxial layers 33 and 34, the epitaxial layers 33 and 34 It is presumed that the portion having a slow etching rate remains on the side wall of the trench 7 as protrusions 41a'and 42a'.

次に、プラズマエッチングまたは例えば1500℃以上の高温度アニールにより、トレンチ7のコーナー部を丸める(ステップS2:第5工程)。ステップS2の処理により、トレンチ7の内壁のエッチングと、トレンチ7の内壁の珪素(Si)および炭素(C)の表面拡散と、が同時に起こり、トレンチ7のコーナー部が丸まる。ステップS2の処理を高温度アニールで行う場合、トレンチ7の内壁に高不純物濃度のドーパントの析出層(不図示)が形成される。 Next, the corner portion of the trench 7 is rounded by plasma etching or high temperature annealing of, for example, 1500 ° C. or higher (step S2: fifth step). By the process of step S2, etching of the inner wall of the trench 7 and surface diffusion of silicon (Si) and carbon (C) of the inner wall of the trench 7 occur at the same time, and the corner portion of the trench 7 is rounded. When the treatment of step S2 is performed by high temperature annealing, a precipitation layer (not shown) of a dopant having a high impurity concentration is formed on the inner wall of the trench 7.

次に、トレンチ7の内壁を犠牲酸化した後(ステップS3)、犠牲酸化膜を除去することで、トレンチ7の内壁に生じたダメージ層やドーパントの析出層を除去する。ステップS3の犠牲酸化により、トレンチ7の内壁に余剰カーボン析出層(不図示)が形成される。ステップS3の処理は省略可能である。次に、特性劣化の原因となる付着物をトレンチ7の内壁に付着させる第1元素を含まず、かつトレンチ7の内壁を酸化させる第2元素を含まないエッチングガスを用いて、トレンチ7の内壁をエッチングする(ステップS4:第6工程) Next, after sacrificial oxidation of the inner wall of the trench 7 (step S3), the sacrificial oxide film is removed to remove the damaged layer and the precipitate layer of the dopant generated on the inner wall of the trench 7. Due to the sacrificial oxidation in step S3, an excess carbon precipitation layer (not shown) is formed on the inner wall of the trench 7. The process of step S3 can be omitted. Next, using an etching gas that does not contain the first element that attaches deposits that cause deterioration of characteristics to the inner wall of the trench 7 and does not contain the second element that oxidizes the inner wall of the trench 7, the inner wall of the trench 7 is used. Etching (step S4: 6th step)

第1元素は、例えば、フッ素を含むカーボン系ポリマー(例えばCF系ポリマー)を生成する炭素(C)である。第2元素は、例えば、トレンチ7の内壁の炭化珪素部中の珪素(Si)と結合して余剰カーボン(C)を発生させる酸素(O)である。ステップS4の処理で用いるエッチングガスは、エッチング反応を生じさせるフッ素(F)等のハロゲン元素や塩素(Cl)等を含み、かつ上記第1,2元素をいずれも含まないガスであればよく、例えば三フッ化窒素(NF3)ガスや三フッ化塩素(ClF3)ガスを用いることができる。 The first element is, for example, carbon (C) that produces a carbon-based polymer containing fluorine (for example, CF-based polymer). The second element is, for example, oxygen (O) that combines with silicon (Si) in the silicon carbide portion of the inner wall of the trench 7 to generate excess carbon (C). The etching gas used in the treatment of step S4 may be a gas containing a halogen element such as fluorine (F) or chlorine (Cl) that causes an etching reaction, and does not contain any of the first and second elements. For example, nitrogen trifluoride (NF 3 ) gas or chlorine trifluoride (ClF 3 ) gas can be used.

ステップS4の処理は、例えばケミカルドライエッチングやプラズマエッチングなど、ラジカルによる等方性の低ダメージのドライエッチング(以下、低ダメージエッチングとする)とすることがよい。例えば、チャンバー内に発生させたプラズマから生成されたラジカルを用いるプラズマエッチングとすることで低ダメージエッチングとなる。または、他の場所で発生させたプラズマから生成されてチャンバー内に輸送されたラジカルを用いるケミカルドライエッチングとすることで、より低ダメージエッチングとなる。 The treatment in step S4 may be isotropic low-damage dry etching by radicals (hereinafter referred to as low-damage etching) such as chemical dry etching or plasma etching. For example, low damage etching can be achieved by performing plasma etching using radicals generated from plasma generated in the chamber. Alternatively, chemical dry etching using radicals generated from plasma generated at another location and transported into the chamber results in lower damage etching.

ステップS4の処理を上記条件で行うことで、酸素を用いずにトレンチ7の内壁をエッチングすることができるため、SiC表面(エッチング面)が酸化されない。エッチング面とは、半導体基板30のおもて面およびトレンチ7の内壁表面である。また、ステップS4の処理に用いるエッチングガスにフッ素原子が含まれる場合、フッ素原子は結合エネルギーが小さく、低パワーで容易に分解してラジカルとなるため、低ダメージエッチングが可能である。 By performing the process of step S4 under the above conditions, the inner wall of the trench 7 can be etched without using oxygen, so that the SiC surface (etched surface) is not oxidized. The etched surface is the front surface of the semiconductor substrate 30 and the inner wall surface of the trench 7. Further, when the etching gas used for the treatment in step S4 contains fluorine atoms, the fluorine atoms have a small binding energy and are easily decomposed into radicals with low power, so that low damage etching is possible.

また、ステップS4の処理時にエッチング装置の処理炉(チャンバー)内に生じた反応生成物はすべて気体となって処理炉から外部へ排気されるため、ステップS4の処理時に生成された反応生成物によるSiC表面の面荒れが少ない。エッチングガスに含まれるフッ素原子はSiC表面に付着するが、SiC表面に付着したフッ素は各ステップS1〜S6の各処理間に行う洗浄処理(不図示)により除去されるため、ステップS4の処理に用いるエッチングガスにフッ素が含まれていてもよい。 Further, since all the reaction products generated in the processing furnace (chamber) of the etching apparatus during the processing in step S4 become gas and are exhausted from the processing furnace to the outside, the reaction products generated during the processing in step S4 are used. There is little surface roughness on the SiC surface. Fluorine atoms contained in the etching gas adhere to the SiC surface, but the fluorine adhering to the SiC surface is removed by a cleaning treatment (not shown) performed between the treatments of steps S1 to S6, so that the treatment in step S4 Fluorine may be contained in the etching gas used.

ステップS4の処理により、トレンチ7の内壁の余剰カーボン析出層が除去される。ステップS3の処理が省略された場合、ステップS4の処理により、ステップS1,S2の処理でトレンチ7の内壁に生じたダメージ層およびドーパントの析出層が除去される。ステップS4の処理で上記第1,2元素を含まないエッチングガスを用いるため、従来方法(図7)のように、トレンチ7の内壁が酸化されて余剰カーボン析出層が再形成されたり、トレンチの内壁にフッ素を含むカーボン系ポリマーが付着される等の問題は生じない。 By the treatment of step S4, the excess carbon precipitation layer on the inner wall of the trench 7 is removed. When the process of step S3 is omitted, the process of step S4 removes the damage layer and the precipitate layer of the dopant generated on the inner wall of the trench 7 in the processes of steps S1 and S2. Since the etching gas containing no first and second elements is used in the process of step S4, the inner wall of the trench 7 is oxidized to reshape the excess carbon precipitation layer, or the trench is formed, as in the conventional method (FIG. 7). Problems such as adhesion of a carbon-based polymer containing fluorine to the inner wall do not occur.

また、ステップS4の処理により、トレンチ7の側壁に生じている突起41a’,42a’ (図4,5参照)の高さ(距離d)が3nm以下になる。このため、トレンチ7の側壁に突起41a,42aによる段差がなくなり、トレンチ7の側壁の全面にわたってトレンチ7の側壁は略平坦面となる(図6参照)。図1,3,6には、ステップS4の処理後のトレンチ7の側壁の突起を符号41a,42aで示す。ステップS4の処理によるトレンチ7の側壁のエッチング量(側壁から第2方向Yの厚さ)は100nm以下である。 Further, by the process of step S4, the height (distance d) of the protrusions 41a'and 42a' (see FIGS. 4 and 5) generated on the side wall of the trench 7 becomes 3 nm or less. Therefore, there is no step on the side wall of the trench 7 due to the protrusions 41a and 42a, and the side wall of the trench 7 becomes a substantially flat surface over the entire surface of the side wall of the trench 7 (see FIG. 6). In FIGS. 1, 3 and 6, the protrusions on the side wall of the trench 7 after the treatment in step S4 are indicated by reference numerals 41a and 42a. The etching amount (thickness in the second direction Y from the side wall) of the side wall of the trench 7 by the process of step S4 is 100 nm or less.

次に、半導体基板30のおもて面およびトレンチ7の内壁に沿って、ゲート絶縁膜8として例えばHTO膜を堆積する(ステップS5:第7工程)。次に、トレンチ7の内部に例えばポリシリコン(poly−Si)を埋め込んでゲート電極9を形成する(ステップS6:第8工程)。ステップS1〜S6の処理で形成されたトレンチ7、ゲート絶縁膜8およびゲート電極9でMOSゲートが構成される。そして、図示省略するMOSゲート以外の各部を一般的な方法により所定のタイミングで形成することで、図1の炭化珪素半導体装置10が完成する。 Next, for example, an HTO film is deposited as the gate insulating film 8 along the front surface of the semiconductor substrate 30 and the inner wall of the trench 7 (step S5: 7th step). Next, for example, polysilicon (poly-Si) is embedded in the trench 7 to form the gate electrode 9 (step S6: 8th step). The MOS gate is composed of the trench 7, the gate insulating film 8 and the gate electrode 9 formed by the treatments of steps S1 to S6. Then, the silicon carbide semiconductor device 10 of FIG. 1 is completed by forming each part other than the MOS gate (not shown) at a predetermined timing by a general method.

以上、説明したように、実施の形態によれば、トレンチのコーナー部を丸めるための熱処理後、トレンチの側壁に沿ってゲート絶縁膜を堆積する前に、当該熱処理でトレンチの内壁に生じたドーパントの析出層、または当該熱処理後に犠牲酸化を行う場合には当該犠牲酸化でトレンチの内壁に生じた余剰カーボン析出層、をトレンチの内壁をエッチングすることで除去する。このエッチングは、炭素を含む付着物をトレンチの内壁に付着させる第1元素と、トレンチの内壁を酸化させる第2元素と、を含まないエッチングガスを用いたプラズマ雰囲気によるドライエッチングとする。このため、トレンチの内壁に対して低ダメージエッチングが可能となる。 As described above, according to the embodiment, after the heat treatment for rounding the corners of the trench, before depositing the gate insulating film along the side wall of the trench, the dopant generated on the inner wall of the trench by the heat treatment. The precipitation layer of the above, or when sacrificial oxidation is performed after the heat treatment, the excess carbon precipitation layer generated on the inner wall of the trench due to the sacrificial oxidation is removed by etching the inner wall of the trench. This etching is dry etching in a plasma atmosphere using an etching gas that does not contain a first element that attaches carbon-containing deposits to the inner wall of the trench and a second element that oxidizes the inner wall of the trench. Therefore, low damage etching is possible on the inner wall of the trench.

また、実施の形態によれば、トレンチの内壁のドーパントの析出層または余剰カーボン析出層を除去するためのエッチングに用いるエッチングガスに、トレンチの内壁を酸化させる第2元素が含まれていないことで、当該エッチング時に、トレンチの内壁が酸化されないため、トレンチの内壁に余剰カーボン析出層が再形成されない。したがって、チャネル移動度の低下を抑制することができる。これに加えて、当該エッチングのエッチングガスに、炭素を含む付着物をトレンチの内壁に付着させる第1元素が含まれていないことで、当該エッチング時に、トレンチの内壁にフッ素を含むカーボン系ポリマー(重合体)が付着しない。したがって、ゲート絶縁膜の信頼性低下を抑制することができる。 Further, according to the embodiment, the etching gas used for etching for removing the dopant precipitation layer or the excess carbon precipitation layer on the inner wall of the trench does not contain the second element that oxidizes the inner wall of the trench. Since the inner wall of the trench is not oxidized during the etching, the excess carbon precipitation layer is not reformed on the inner wall of the trench. Therefore, it is possible to suppress a decrease in channel mobility. In addition to this, the etching gas of the etching does not contain the first element that attaches carbon-containing deposits to the inner wall of the trench, so that the carbon-based polymer containing fluorine on the inner wall of the trench at the time of the etching ( Polymer) does not adhere. Therefore, it is possible to suppress a decrease in reliability of the gate insulating film.

また、実施の形態によれば、トレンチエッチング時にトレンチの側壁において、n-型ドリフト領域とp型ベース領域との第1境界と、p型ベース領域とn+型ソース領域との第2境界にそれぞれ生じた突起の高さを、トレンチの内壁のドーパントの析出層または余剰カーボン析出層を除去するためのエッチングにより低くすることができる。これにより、トレンチの側壁に突起による段差をなくして、トレンチの側壁を略平坦面にすることができる。突起による段差は3nm以下である。トレンチの側壁に段差が生じていないことで、ゲート絶縁膜とトレンチの内壁の炭化珪素部との界面(SiO2/SiC界面)での界面ラフネス散乱を小さくすることができるため、チャネル移動度の低下を抑制することができる。 Further, according to the embodiment, at the side wall of the trench during trench etching , the first boundary between the n- type drift region and the p-type base region and the second boundary between the p-type base region and the n + type source region are formed. The height of each of the generated protrusions can be lowered by etching to remove the dopant precipitation layer or the excess carbon precipitation layer on the inner wall of the trench. As a result, the side wall of the trench can be made a substantially flat surface by eliminating the step due to the protrusion. The step due to the protrusion is 3 nm or less. Since there is no step on the side wall of the trench, the interfacial roughness scattering at the interface (SiO 2 / SiC interface) between the gate insulating film and the silicon carbide portion of the inner wall of the trench can be reduced, so that the channel mobility can be reduced. The decrease can be suppressed.

以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、本発明は、トレンチゲート構造を備えていればよく、MOSFETに限らず、半導体基板の裏面にp型コレクタ層を形成したIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)等の他のMOS型半導体装置にも適用可能である。 As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the present invention may be provided with a trench gate structure, and is not limited to MOSFETs, but other devices such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) in which a p-type collector layer is formed on the back surface of a semiconductor substrate. It can also be applied to MOS type semiconductor devices.

以上のように、本発明にかかる炭化珪素半導体装置および炭化珪素半導体装置の製造方法は、トレンチゲート型半導体装置に有用であり、特にトレンチゲート型MOSFETに適している。 As described above, the silicon carbide semiconductor device and the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the present invention are useful for the trench gate type semiconductor device, and are particularly suitable for the trench gate type MOSFET.

1 n+型ドレイン領域
2 n型バッファ領域
3 n-型ドリフト領域
4 p型ベース領域
5 n+型ソース領域
6 p+型コンタクト領域
7 トレンチ
8 ゲート絶縁膜
9 ゲート電極
10 炭化珪素半導体装置
11 層間絶縁膜
12 ソース電極
13 ドレイン電極
30 半導体基板
31 n+型出発基板
32 n型エピタキシャル層
33 n-型エピタキシャル層
34 p型エピタキシャル層
41 n-型ドリフト領域とp型ベース領域との第1境界
41a,42a 図2のステップS4のエッチング後のトレンチの側面の突起
41a',42a’ 図2のステップS1のエッチングでトレンチの側面に生じる突起
42 p型ベース領域とn+型ソース領域との第2境界
X 半導体基板のおもて面に平行にトレンチが延在する第1方向
Y トレンチの側壁と直交する第2方向
Z 深さ方向
d トレンチの側壁の突起の頂点から当該突起間においてトレンチの側壁に露出するエピタキシャル層の表面(露出面)までの距離
1 n + type drain area 2 n type buffer area 3 n - type drift area 4 p type base area 5 n + type source area 6 p + type contact area 7 trench 8 gate insulating film 9 gate electrode 10 silicon carbide semiconductor device 11 layers Insulating film 12 Source electrode 13 Drain electrode 30 Semiconductor substrate 31 n + type starting substrate 32 n-type epitaxial layer 33 n - type epitaxial layer 34 p-type epitaxial layer 41 n - type first boundary between drift region and p-type base region 41a , the projections 41a of the side surface of the trench after the etching step S4 in 42a Figure 2 ', 42a' second and the protrusion 42 p-type base region and the n + -type source region generated on the side surface of the trench etch step S1 of FIG. 2 Boundary X First direction in which the trench extends parallel to the front surface of the semiconductor substrate Y Second direction orthogonal to the side wall of the trench Z Depth direction d From the apex of the protrusion on the side wall of the trench to the side wall of the trench between the protrusions Distance to the surface (exposed surface) of the epitaxial layer exposed to

Claims (9)

炭化珪素からなる半導体基板と、
前記半導体基板の内部に設けられた第1導電型の第1半導体領域と、
前記半導体基板の第1主面と前記第1半導体領域との間に設けられた第2導電型の第2半導体領域と、
前記半導体基板の第1主面と前記第2半導体領域との間に選択的に設けられた第1導電型の第3半導体領域と、
前記第3半導体領域および前記第2半導体領域を貫通して前記第1半導体領域に達するトレンチと、
前記トレンチの内壁に沿って設けられたゲート絶縁膜と、
前記トレンチの内部において前記ゲート絶縁膜の上に設けられたゲート電極と、
前記第3半導体領域および前記第2半導体領域に電気的に接続された第1電極と、
前記半導体基板の第2主面に設けられた第2電極と、
を備え、
前記トレンチの側壁において異なる導電型の領域の界面で突起高さが3nm以下であることを特徴とする炭化珪素半導体装置。
A semiconductor substrate made of silicon carbide and
A first conductive type first semiconductor region provided inside the semiconductor substrate, and
A second conductive type second semiconductor region provided between the first main surface of the semiconductor substrate and the first semiconductor region, and
A first conductive type third semiconductor region selectively provided between the first main surface of the semiconductor substrate and the second semiconductor region,
A trench that penetrates the third semiconductor region and the second semiconductor region and reaches the first semiconductor region,
A gate insulating film provided along the inner wall of the trench and
A gate electrode provided on the gate insulating film inside the trench and
A first electrode electrically connected to the third semiconductor region and the second semiconductor region,
A second electrode provided on the second main surface of the semiconductor substrate and
With
A silicon carbide semiconductor device characterized in that the protrusion height is 3 nm or less at the interface between different conductive type regions on the side wall of the trench.
炭化珪素からなる第1導電型の出発基板の上に、前記出発基板よりも不純物濃度の低い第1導電型の第1半導体領域となる第1導電型炭化珪素層を形成する第1工程と、
前記第1導電型炭化珪素層の上に、第2導電型の第2半導体領域となる第2導電型炭化珪素層を形成する第2工程と、
前記第2導電型炭化珪素層の表面領域に、第1導電型の第3半導体領域を選択的に形成する第3工程と、
第1エッチングにより、前記第3半導体領域および前記第2導電型炭化珪素層を貫通して前記第1導電型炭化珪素層に達するトレンチを形成する第4工程と、
熱処理により前記トレンチのコーナー部を丸める第5工程と、
前記第5工程の後、プラズマ雰囲気において前記トレンチの内壁を第2エッチングする第6工程と、
前記第6工程の後、前記トレンチの内壁に沿ってゲート絶縁膜を堆積する第7工程と、
前記トレンチの内部において前記ゲート絶縁膜の上にゲート電極を形成する第8工程と、
を含み、
前記第2エッチングのエッチングガスは、炭素を含む付着物を前記トレンチの内壁に付着させる第1元素と、前記トレンチの内壁を酸化させる第2元素と、を含まないことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
A first step of forming a first conductive silicon carbide layer, which is a first conductive type first semiconductor region having a lower impurity concentration than the starting substrate, on a first conductive type starting substrate made of silicon carbide.
A second step of forming a second conductive silicon carbide layer, which is a second conductive type second semiconductor region, on the first conductive silicon carbide layer.
A third step of selectively forming a first conductive type third semiconductor region on the surface region of the second conductive type silicon carbide layer, and
A fourth step of forming a trench that penetrates the third semiconductor region and the second conductive silicon carbide layer and reaches the first conductive silicon carbide layer by the first etching.
The fifth step of rounding the corners of the trench by heat treatment and
After the fifth step, a sixth step of second etching the inner wall of the trench in a plasma atmosphere and
After the sixth step, a seventh step of depositing a gate insulating film along the inner wall of the trench and
The eighth step of forming the gate electrode on the gate insulating film inside the trench, and
Including
The etching gas of the second etching is a silicon carbide semiconductor characterized in that it does not contain a first element that attaches carbon-containing deposits to the inner wall of the trench and a second element that oxidizes the inner wall of the trench. Manufacturing method of the device.
前記第1元素は炭素であることを特徴とする請求項2に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 2, wherein the first element is carbon. 前記第2元素は酸素であることを特徴とする請求項2または3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 2 or 3, wherein the second element is oxygen. 前記第2エッチングのエッチングガスは、三フッ化窒素ガスであることを特徴とする請求項2〜4のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to any one of claims 2 to 4, wherein the etching gas for the second etching is nitrogen trifluoride gas. 前記第2エッチングのエッチングガスは、三フッ化塩素ガスであることを特徴とする請求項2〜4のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to any one of claims 2 to 4, wherein the etching gas for the second etching is chlorine trifluoride gas. 前記第2エッチングは、ケミカルドライエッチングであることを特徴とする請求項2〜6のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to any one of claims 2 to 6, wherein the second etching is chemical dry etching. 前記第2エッチングのエッチング量は、前記トレンチの側壁から前記トレンチの側壁と直交する方向に100nm以下の厚さであることを特徴とする請求項2〜7のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The silicon carbide according to any one of claims 2 to 7, wherein the etching amount of the second etching is 100 nm or less in a direction orthogonal to the side wall of the trench from the side wall of the trench. Manufacturing method for semiconductor devices. 前記第6工程では、前記第4工程の前記第1エッチングにおいて、前記トレンチの側壁における、前記第1導電型炭化珪素層と前記第2導電型炭化珪素層との境界、および、前記第2導電型炭化珪素層と前記第3半導体領域との境界と、各境界の間の表面と、のエッチングレートが異なることにより、前記各境界にそれぞれ生じた突起の高さを前記第2エッチングにより低くして3nm以下にすることを特徴とする請求項2〜8のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 In the sixth step, in the first etching of the fourth step, the boundary between the first conductive type silicon carbide layer and the second conductive type silicon carbide layer on the side wall of the trench, and the second conductive type. Since the etching rates of the boundary between the type silicon carbide layer and the third semiconductor region and the surface between the boundaries are different, the height of the protrusions generated at each boundary is lowered by the second etching. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to any one of claims 2 to 8, wherein the thickness is 3 nm or less.
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WO2024004872A1 (en) * 2022-06-30 2024-01-04 東京応化工業株式会社 Processing method for silicon carbide single crystal substrate, silicon carbide single crystal substrate processing system, and replenishing liquid

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