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JP6233210B2 - Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device - Google Patents
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Description

この発明は、炭化珪素半導体装置の製造方法に関するものであり、特に、トレンチを有する炭化珪素半導体装置の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device having a trench.

近年、半導体装置の高耐圧化、低損失化、高温環境下での使用などを可能にするため、半導体装置を構成する材料として炭化珪素の採用が進められつつある。炭化珪素は、従来から半導体装置を構成する材料として広く採用されている珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体である。そのため、半導体装置構成する材料として炭化珪素を採用することにより、半導体装置の高耐圧化、オン抵抗の低減などを達成することができる。また、炭化珪素を材料して採用した半導体装置は、珪素を材料として採用した半導体装置に比べて、高温環境下で使用された場合の特性の低下が小さいという利点も有している。   In recent years, in order to enable a semiconductor device to have a high breakdown voltage, low loss, and use in a high temperature environment, silicon carbide is being adopted as a material constituting the semiconductor device. Silicon carbide is a wide band gap semiconductor having a larger band gap than silicon that has been widely used as a material for forming semiconductor devices. Therefore, by adopting silicon carbide as a material constituting the semiconductor device, it is possible to achieve high breakdown voltage of the semiconductor device, reduction of on-resistance, and the like. In addition, a semiconductor device that employs silicon carbide as a material has an advantage that a decrease in characteristics when used in a high temperature environment is small as compared with a semiconductor device that employs silicon as a material.

炭化珪素を材料として採用した半導体装置としては、たとえばMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)などがある。MOSFETは、所定の閾値電圧を境としてチャネル領域における反転層の形成の有無を制御することにより、電流を導通または遮断する半導体装置である。たとえば、特開2010−258294号公報(特許文献1)には、トレンチの側壁面に沿ってチャネル領域が形成されたトレンチ型MOSFETが開示される。   As a semiconductor device adopting silicon carbide as a material, for example, there is a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). A MOSFET is a semiconductor device that conducts or cuts off current by controlling whether or not an inversion layer is formed in a channel region with a predetermined threshold voltage as a boundary. For example, Japanese Patent Laying-Open No. 2010-258294 (Patent Document 1) discloses a trench MOSFET in which a channel region is formed along a side wall surface of a trench.

炭化珪素を材料として採用したトレンチ型MOSFETにおいては、開口部を有するマスク層が形成された炭化珪素層をエッチングすることにより、炭化珪素層の主表面にトレンチが形成される。そして、トレンチが形成された炭化珪素層を熱酸化することにより、トレンチの内壁から炭化珪素層の上部表面上にまで延在するようにゲート絶縁膜(二酸化珪素膜)が形成される。   In a trench MOSFET employing silicon carbide as a material, a trench is formed on the main surface of the silicon carbide layer by etching the silicon carbide layer on which the mask layer having an opening is formed. Then, by thermally oxidizing the silicon carbide layer in which the trench is formed, a gate insulating film (silicon dioxide film) is formed so as to extend from the inner wall of the trench to the upper surface of the silicon carbide layer.

このようなトレンチ型MOSFETにおいては、トレンチの側壁と炭化珪素層の主表面とにより形成される上部角部は直角に近い形状となっているため、トレンチの上部角部付近に形成されるゲート絶縁膜の厚さが局所的に薄くなってしまう。一方、このトレンチの上部角部は高電界が印加されやすい部分であるため、上部角部に局所的に電界が集中すると、上部角部付近に形成されるゲート絶縁膜にリーク電流が発生し、ゲート絶縁膜の絶縁信頼性を低下させてしまう。   In such a trench MOSFET, the upper corner formed by the sidewall of the trench and the main surface of the silicon carbide layer has a shape close to a right angle, so that the gate insulation formed near the upper corner of the trench. The film thickness is locally reduced. On the other hand, the upper corner portion of the trench is a portion where a high electric field is likely to be applied, so when an electric field is locally concentrated on the upper corner portion, a leak current is generated in the gate insulating film formed near the upper corner portion, The insulation reliability of the gate insulating film is lowered.

特許文献1では、炭化珪素エピタキシャル層が形成された基板上にエッチングによりトレンチを形成した後、1600℃〜1800℃の範囲のアルゴン(Ar)雰囲気中で10Torr以下の圧力で0.1分〜10分の熱処理を行なう。これにより、炭化珪素表面からシリコン(Si)原子を蒸発させて該炭化珪素表面を95at%以上の炭素(C)原子とする。炭化珪素表面をグラファイト化することにより、炭化珪素エッチング形状の変形を抑制する。   In Patent Document 1, a trench is formed by etching on a substrate on which a silicon carbide epitaxial layer is formed, and then in an argon (Ar) atmosphere in a range of 1600 ° C. to 1800 ° C. under a pressure of 10 Torr or less for 10 minutes to 10 minutes. Heat treatment for a minute. Thereby, silicon (Si) atoms are evaporated from the silicon carbide surface, and the silicon carbide surface is changed to 95 at% or more carbon (C) atoms. By graphitizing the silicon carbide surface, deformation of the silicon carbide etching shape is suppressed.

特開2010−258294号公報JP 2010-258294 A

しかしながら、上記の特許文献1に記載される製造方法によれば、熱処理によるシリコン原子のマイグレーションによって、トレンチの側壁面が荒れるという問題がある。トレンチの側壁面が荒れると、側壁面に沿って形成されるチャネル領域においてキャリア移動度が低下するため、チャネル抵抗を低減(すなわち、オン抵抗の低減)が困難となる。   However, according to the manufacturing method described in Patent Document 1 described above, there is a problem that the sidewall surface of the trench becomes rough due to migration of silicon atoms by heat treatment. When the side wall surface of the trench is rough, the carrier mobility is lowered in the channel region formed along the side wall surface, so that it is difficult to reduce the channel resistance (that is, reduce the on-resistance).

また、トレンチの側壁面に連接する炭化珪素層の主表面にステップバンチングが発生することにより、主表面の表面粗さが大きくなる。これにより、熱酸化によりゲート絶縁膜を形成した際に、熱酸化速度が炭化珪素の結晶面に依存して異なること(面方位依存性)に起因して、局所的にゲート絶縁膜が薄い部分が生じてしまう。その結果、当該部分を起点としてゲート絶縁膜にリーク電流を誘発する可能性がある。   Further, step bunching occurs on the main surface of the silicon carbide layer connected to the side wall surface of the trench, thereby increasing the surface roughness of the main surface. As a result, when the gate insulating film is formed by thermal oxidation, the portion where the gate insulating film is locally thin due to the fact that the thermal oxidation rate differs depending on the crystal plane of silicon carbide (plane orientation dependence) Will occur. As a result, there is a possibility that a leakage current is induced in the gate insulating film starting from the portion.

本発明の一態様の目的は、低いチャネル抵抗を実現しつつ、ゲート絶縁膜の十分な絶縁信頼性を確保することができる炭化珪素半導体装置の製造方法を提供することである。   An object of one embodiment of the present invention is to provide a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device capable of ensuring a sufficient insulation reliability of a gate insulating film while realizing a low channel resistance.

本発明の一態様に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、炭素面または炭素面から8度以下オフした面である第1の主面と、第1の主面と反対側の第2の主面とを有する炭化珪素基板を準備する工程を備える。炭化珪素基板は、第2の主面を形成し、かつ第1の導電型を有する第1の不純物領域と、第1の不純物領域上に設けられ、第2の導電型を有する第2の不純物領域と、第2の不純物領域上に第1の不純物領域から隔てられるように設けられ、第1の主面を形成し、かつ第1の導電型を有する第3の不純物領域とを含む。上記製造方法はさらに、炭化珪素基板の第1の主面上に、開口部を有するマスク層を形成する工程と、マスク層の開口部を通じて、第3の不純物領域と、第2の不純物領域と、第1の不純物領域の一部とをエッチングにより除去することにより、炭化珪素基板の第1の主面にトレンチを形成する工程と、マスク層を除去した後、熱酸化により、トレンチおよび炭化珪素基板の第1の主面を覆うゲート絶縁膜を形成する工程と、ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程とを備える。マスク層を形成する工程は、第1の主面を覆う第1の膜を形成する工程と、第1の膜上に、第1の膜よりも低密度の第2の膜を形成する工程と、トレンチが形成される位置に対応した開口部を有するように、第1および第2の膜をパターニングする工程とを含む。トレンチを形成する工程は、炭化珪素基板を加熱しながら、開口部にて露出する炭化珪素基板の第1の主面に化学エッチングを施す工程を含む。化学エッチングを施す工程では、第2の膜が熱収縮することで第1の膜に加わる応力によって、第1の膜の開口部を取り囲む縁部と炭化珪素基板の第1の主面との間に間隙が形成される。開口部および間隙にて露出する炭化珪素基板の第1の主面がエッチングにより除去される。   A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes a first main surface that is a carbon surface or a surface that is turned off by 8 degrees or less from the carbon surface, and a second main surface opposite to the first main surface. And a step of preparing a silicon carbide substrate having a surface. The silicon carbide substrate includes a first impurity region forming a second main surface and having a first conductivity type, and a second impurity having a second conductivity type provided on the first impurity region. And a third impurity region provided on the second impurity region so as to be separated from the first impurity region, forming a first main surface, and having the first conductivity type. The manufacturing method further includes a step of forming a mask layer having an opening on the first main surface of the silicon carbide substrate, a third impurity region, a second impurity region through the opening of the mask layer, Removing a part of the first impurity region by etching to form a trench in the first main surface of the silicon carbide substrate; and removing the mask layer and then thermally oxidizing the trench and silicon carbide Forming a gate insulating film covering the first main surface of the substrate; and forming a gate electrode on the gate insulating film. The step of forming the mask layer includes a step of forming a first film covering the first main surface, a step of forming a second film having a lower density than the first film on the first film, And patterning the first and second films so as to have an opening corresponding to the position where the trench is formed. The step of forming the trench includes a step of chemically etching the first main surface of the silicon carbide substrate exposed at the opening while heating the silicon carbide substrate. In the step of applying chemical etching, the stress applied to the first film due to the thermal contraction of the second film is caused between the edge surrounding the opening of the first film and the first main surface of the silicon carbide substrate. A gap is formed. The first main surface of the silicon carbide substrate exposed at the opening and the gap is removed by etching.

上記によれば、低いチャネル抵抗を実現しつつ、ゲート絶縁膜の十分な絶縁信頼性を確保することができる炭化珪素半導体装置を製造することができる。   According to the above, it is possible to manufacture a silicon carbide semiconductor device that can secure a sufficient insulation reliability of the gate insulating film while realizing a low channel resistance.

本発明の実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置の構造を概略的に説明するための部分断面図である。It is a fragmentary sectional view for demonstrating schematically the structure of the silicon carbide semiconductor device which concerns on Embodiment 1 of this invention. 図1の炭化珪素半導体装置が有する炭化珪素基板の形状を概略的に示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view schematically showing a shape of a silicon carbide substrate included in the silicon carbide semiconductor device of FIG. 1. 図1の拡大図である。It is an enlarged view of FIG. 本発明の実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を概略的に説明するためのフロー図である。FIG. 5 is a flowchart for schematically illustrating the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 図1の炭化珪素半導体装置の製造方法を概略的に説明するためのフロー図である。FIG. 2 is a flowchart for schematically illustrating a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of FIG. 1. 図1の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部分断面図である。FIG. 8 is a partial cross sectional view schematically showing a first step of the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of FIG. 1. 図1の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部分断面図である。FIG. 8 is a partial cross sectional view schematically showing a second step of the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of FIG. 1. 図1の炭化珪素半導体装置の製造方法を概略的に説明するためのフロー図である。FIG. 2 is a flowchart for schematically illustrating a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of FIG. 1. 図1の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部分断面図である。FIG. 8 is a partial cross sectional view schematically showing a third step of the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of FIG. 1. 図1の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部分断面図である。FIG. 8 is a partial cross sectional view schematically showing a fourth step of the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of FIG. 1. 図1の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部分断面図である。FIG. 8 is a partial cross sectional view schematically showing a fifth step of the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of FIG. 1. 図1の炭化珪素半導体装置の製造方法の第6工程を概略的に示す部分断面図である。FIG. 8 is a partial cross sectional view schematically showing a sixth step of the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of FIG. 1. 図1の炭化珪素半導体装置の製造方法の第6工程を概略的に示す部分断面図である。FIG. 8 is a partial cross sectional view schematically showing a sixth step of the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of FIG. 1. 図1の炭化珪素半導体装置の製造方法の第7工程を概略的に示す部分断面図である。FIG. 8 is a partial cross sectional view schematically showing a seventh step of the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of FIG. 1. 図1の炭化珪素半導体装置の製造方法の第8工程を概略的に示す部分断面図である。FIG. 12 is a partial cross sectional view schematically showing an eighth step of the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of FIG. 1. 図1の炭化珪素半導体装置の製造方法の第9工程を概略的に示す部分断面図である。FIG. 12 is a partial cross sectional view schematically showing a ninth step of the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device of FIG. 1. 本発明の実施の形態2に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の第6工程を概略的に示す部分断面図である。FIG. 12 is a partial cross sectional view schematically showing a sixth step of the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態2に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の第6工程を概略的に示す部分断面図である。FIG. 12 is a partial cross sectional view schematically showing a sixth step of the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態2に係る炭化珪素半導体装置の製造方法の第7工程を概略的に示す部分断面図である。FIG. 12 is a partial cross sectional view schematically showing a seventh step of the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態2に係る炭化珪素半導体装置の構造を概略的に説明するための断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram for demonstrating schematically the structure of the silicon carbide semiconductor device which concerns on Embodiment 2 of this invention.

[本発明の実施形態の説明]
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符号を付し、その説明は繰り返さない。また、本明細書中の結晶学的記載においては、個別方位を[]、集合方位を<>、個別面を()、集合面を{}でそれぞれ示している。また結晶学上の指数が負であることは、通常、“−”(バー)を数字の上に付すことによって表現されるが、本明細書中では数字の前に符号を付している。また角度の記載には、全方位角を360度とする系を用いている。
[Description of Embodiment of the Present Invention]
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 the description thereof will not be repeated. In the crystallographic description in this specification, the individual orientation is indicated by [], the collective orientation is indicated by <>, the individual plane is indicated by (), and the collective plane is indicated by {}. In addition, a negative crystallographic index is usually expressed by adding “-” (bar) on a number, but in this specification, a sign is attached before the number. The angle is described using a system in which the omnidirectional angle is 360 degrees.

最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
(1)本発明の一態様に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、炭素面または炭素面から8度以下オフした面である第1の主面10aと、第1の主面10aと反対側の第2の主面10bとを有する炭化珪素基板10を準備する工程を備える。炭化珪素基板10は、第2の主面10bを形成し、かつ第1の導電型を有する第1の不純物領域80,81と、第1の不純物領域80,81上に設けられ、第2の導電型を有する第2の不純物領域82と、第2の不純物領域82上に第1の不純物領域80,81から隔てられるように設けられ、第1の主面10aを形成し、かつ第1の導電型を有する第3の不純物領域83とを含む。製造方法はさらに、炭化珪素基板10の第1の主面10a上に、開口部OPを有するマスク層100を形成する工程と、マスク層100の開口部OPを通じて、第3の不純物領域83と、第2の不純物領域82と、第1の不純物領域81の一部とをエッチングにより除去することにより、炭化珪素基板10の第1の主面10aにトレンチTRを形成する工程と、マスク層100を除去した後、熱酸化により、トレンチTRおよび炭化珪素基板10の第1の主面10aを覆うゲート絶縁膜91を形成する工程と、ゲート絶縁膜91上にゲート電極92を形成する工程とを備える。マスク層100を形成する工程は、第1の主面10a上を覆う第1の膜110を形成する工程と、第1の膜110上に、第1の膜110よりも低密度の第2の膜120を形成する工程と、トレンチTRが形成される位置に対応した開口部OPを有するように、第1の膜110および第2の膜120をパターニングする工程とを含む。トレンチTRを形成する工程は、炭化珪素基板10を加熱しながら、開口部OPにて露出する炭化珪素基板10の第1の主面10aに化学エッチングを施す工程を含む。化学エッチングを施す工程では、第2の膜120が熱収縮することで第1の膜110に加わる応力によって、第1の膜110の開口部OPを取り囲む縁部と炭化珪素基板10の第1の主面10aとの間に間隙GPが形成される。開口部OPおよび間隙GPにて露出する炭化珪素基板10の第1の主面10aがエッチングにより除去される。
First, embodiments of the present invention will be listed and described.
(1) A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to one aspect of the present invention includes a first main surface 10a that is a carbon surface or a surface that is off by 8 degrees or less from the carbon surface, and a side opposite to the first main surface 10a. A step of preparing silicon carbide substrate 10 having the second main surface 10b. Silicon carbide substrate 10 is provided on first impurity regions 80, 81 forming second main surface 10 b and having the first conductivity type, and on first impurity regions 80, 81, A second impurity region 82 having a conductivity type, provided on the second impurity region 82 so as to be separated from the first impurity regions 80 and 81, to form a first main surface 10a; And a third impurity region 83 having a conductivity type. The manufacturing method further includes a step of forming mask layer 100 having opening OP on first main surface 10a of silicon carbide substrate 10; third impurity region 83 through opening OP of mask layer 100; The step of forming trench TR in first main surface 10a of silicon carbide substrate 10 by removing second impurity region 82 and a part of first impurity region 81 by etching, and mask layer 100 After removing, a step of forming gate insulating film 91 covering trench TR and first main surface 10a of silicon carbide substrate 10 by thermal oxidation and a step of forming gate electrode 92 on gate insulating film 91 are provided. . The step of forming the mask layer 100 includes a step of forming the first film 110 covering the first main surface 10a, and a second density lower than that of the first film 110 on the first film 110. A step of forming the film 120 and a step of patterning the first film 110 and the second film 120 so as to have the opening OP corresponding to the position where the trench TR is formed are included. The step of forming trench TR includes a step of performing chemical etching on first main surface 10a of silicon carbide substrate 10 exposed at opening OP while heating silicon carbide substrate 10. In the step of performing chemical etching, the edge surrounding the opening OP of the first film 110 and the first of the silicon carbide substrate 10 due to the stress applied to the first film 110 due to the thermal contraction of the second film 120. A gap GP is formed between the main surface 10a. First main surface 10a of silicon carbide substrate 10 exposed at opening OP and gap GP is removed by etching.

上記(1)に係る炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、トレンチ型MOSFETが製造される。トレンチ型MOSFETの製造方法において、炭素面または炭素面から8度以下オフした面である炭化珪素基板10の第1の主面10aにトレンチTRを形成するために用いるマスク層100を、第1の膜110と、第1の膜110上に形成され、かつ第1の膜110よりも低密度の第2の膜120との二層構造とする。これにより、炭化珪素基板10を加熱しながら化学エッチングを行なう際に、第2の膜120の収縮により発生する応力を用いて第1の膜110を反らせることができる。この第1の膜110の反りによって第1の膜110と炭化珪素基板10の第1の主面10aとの間に間隙GPが形成されるため、間隙GPにおけるサイドエッチングが促進される。この結果、炭素面に対して傾斜し、かつチャネル領域を含む第1の側面SW1と、トレンチTRの上部角部付近に位置し、かつ第1の側面SW1に比べて炭素面に対する傾斜角度が小さい第2の側面SW2とを有するトレンチTRが形成される。   According to the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to (1) above, a trench MOSFET is manufactured. In the method for manufacturing a trench MOSFET, the mask layer 100 used for forming the trench TR in the first main surface 10a of the silicon carbide substrate 10 which is the carbon surface or a surface that is off by 8 degrees or less from the carbon surface, A two-layer structure of the film 110 and the second film 120 formed on the first film 110 and having a lower density than the first film 110 is employed. Thereby, when chemical etching is performed while heating silicon carbide substrate 10, first film 110 can be warped using stress generated by contraction of second film 120. Since the gap GP is formed between the first film 110 and the first main surface 10a of the silicon carbide substrate 10 due to the warp of the first film 110, side etching in the gap GP is promoted. As a result, the tilt angle with respect to the carbon surface is smaller than that of the first side surface SW1 that is tilted with respect to the carbon surface and includes the channel region, and is located near the upper corner of the trench TR and that of the first side surface SW1. A trench TR having the second side surface SW2 is formed.

上記のトレンチTRが形成された炭化珪素基板10を熱酸化することにより形成されるゲート絶縁膜91は、炭化珪素の熱酸化速度の面方位依存性に従って、第1の側面SW1において薄くされる一方で、第2の側面SW2において厚くされる。すなわち、チャネル領域に接するゲート絶縁膜91の厚さを薄くしながら、トレンチTRの上部角部付近に形成されるゲート絶縁膜91の厚さを厚くすることができる。チャネル領域上に薄いゲート絶縁膜91が形成されることによってキャリア移動度が向上するため、チャネル抵抗を低減することができる。また、トレンチTRの上部角部の付近に厚いゲート絶縁膜91が形成されることによって、トレンチTRの上部角部への電界集中が大きく緩和されるため、上部角部付近でのリーク電流の発生を抑制することができる。この結果、低いチャネル抵抗を実現しながら、ゲート絶縁膜の絶縁信頼性を確保することができる。   Gate insulating film 91 formed by thermally oxidizing silicon carbide substrate 10 having trench TR formed thereon is thinned on first side surface SW1 in accordance with the plane orientation dependence of the thermal oxidation rate of silicon carbide. Thus, the second side surface SW2 is thickened. That is, it is possible to increase the thickness of the gate insulating film 91 formed in the vicinity of the upper corner portion of the trench TR while reducing the thickness of the gate insulating film 91 in contact with the channel region. By forming the thin gate insulating film 91 over the channel region, carrier mobility is improved, so that channel resistance can be reduced. Further, since the thick gate insulating film 91 is formed in the vicinity of the upper corner portion of the trench TR, the electric field concentration on the upper corner portion of the trench TR is greatly relieved, so that leakage current is generated near the upper corner portion. Can be suppressed. As a result, it is possible to ensure the insulation reliability of the gate insulating film while realizing a low channel resistance.

(2)上記(1)に係る炭化珪素半導体装置の製造方法において好ましくは、トレンチTRの側壁面SWは、第1の不純物領域81および第2の不純物領域82からなり、炭素面に対して50度以上の角度で傾斜している第1の側面SW1と、第3の不純物領域83からなり、炭素面に対して50度よりも小さい角度で傾斜している第2の側面SW2とを有する。これにより、トレンチTRが形成された炭化珪素基板10を熱酸化することにより形成されるゲート絶縁膜91は、炭化珪素の熱酸化速度の面方位依存性に従って、第1の側面SW1において薄くされる一方で、第2の側面SW2において厚くされる。このように炭化珪素における熱酸化速度の面方位依存性を利用することによって、低いチャネル抵抗と高い絶縁信頼性とを備えたトレンチ型MOSFETを簡略化されたプロセスで製造することができる。   (2) Preferably in the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to (1) above, sidewall surface SW of trench TR is formed of first impurity region 81 and second impurity region 82, and is 50% from the carbon surface. The first side surface SW1 is inclined at an angle of not less than 50 degrees, and the second side surface SW2 is formed of the third impurity region 83 and is inclined at an angle smaller than 50 degrees with respect to the carbon surface. Thereby, gate insulating film 91 formed by thermally oxidizing silicon carbide substrate 10 in which trench TR is formed is thinned on first side surface SW1 in accordance with the plane orientation dependency of the thermal oxidation rate of silicon carbide. On the other hand, the thickness is increased on the second side surface SW2. Thus, by utilizing the plane orientation dependence of the thermal oxidation rate in silicon carbide, a trench MOSFET having low channel resistance and high insulation reliability can be manufactured by a simplified process.

(3)上記(2)に係る炭化珪素半導体装置の製造方法において好ましくは、第1の側面SW1は、炭素面に対して50度以上65度以下傾斜している。これにより、第1の側面SW1におけるチャネル抵抗を低減することができるため、トレンチ型MOSFETのオン抵抗を低減することができる。   (3) Preferably in the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to (2) above, first side surface SW1 is inclined at 50 ° or more and 65 ° or less with respect to the carbon surface. Thereby, since the channel resistance in the first side surface SW1 can be reduced, the on-resistance of the trench MOSFET can be reduced.

(4)上記(3)に係る炭化珪素半導体装置の製造方法において好ましくは、第1の側面SW1は、面方位{0−33−8}を有する面を含む。これにより、第1の側面SW1におけるチャネル抵抗をより低減することができるのでオン抵抗を低減することができる。   (4) Preferably in the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to (3) above, first side surface SW1 includes a surface having a plane orientation {0-33-8}. Thereby, the channel resistance in the first side surface SW1 can be further reduced, so that the on-resistance can be reduced.

(5)上記(1)〜(4)のいずれかに係る炭化珪素半導体装置の製造方法において好ましくは、化学エッチングを施す工程では、少なくとも1種類以上のハロゲン原子を有する反応性ガスを含む雰囲気中で炭化珪素基板10を加熱する。これにより、熱エッチングによって、トレンチTRの第1の側面SW1と第2の側面SW2とを一度に形成することができるので、プロセスを簡略化することができる。   (5) Preferably in the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to any one of (1) to (4) above, in the step of performing chemical etching, in an atmosphere containing a reactive gas having at least one or more types of halogen atoms To heat silicon carbide substrate 10. Thereby, the first side surface SW1 and the second side surface SW2 of the trench TR can be formed at a time by thermal etching, and thus the process can be simplified.

(6)上記(1)〜(5)のいずれかに係る炭化珪素半導体装置の製造方法において好ましくは、第1の膜110を形成する工程では、熱酸化により酸化膜110を形成する。これにより、緻密であり、かつ炭化珪素基板10の第1の主面10aとの密着性が高い第1の膜110を容易に形成することができるので、プロセスを簡略化することができる。   (6) Preferably in the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to any one of (1) to (5) above, in the step of forming first film 110, oxide film 110 is formed by thermal oxidation. Thereby, first film 110 that is dense and has high adhesion to first main surface 10a of silicon carbide substrate 10 can be easily formed, so that the process can be simplified.

(7)上記(1)〜(6)のいずれかに係る炭化珪素半導体装置の製造方法において好ましくは、第2の膜120を形成する工程では、堆積により酸化膜120を形成する。これにより、第1の膜110を覆い、かつ第1の膜110よりも低密度の第2の膜120を容易に形成することができるため、プロセスを簡略化することができる。   (7) Preferably in the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to any one of (1) to (6) above, in the step of forming second film 120, oxide film 120 is formed by deposition. Accordingly, since the second film 120 that covers the first film 110 and has a lower density than the first film 110 can be easily formed, the process can be simplified.

(8)上記(1)〜(7)のいずれかに係る炭化珪素半導体装置の製造方法において好ましくは、第1の膜110および第2の膜120をパターニングする工程は、第1の膜110および第2の膜120の一部をエッチングにより除去して開口部OPを形成するとともに、開口部OPにて露出する炭化珪素基板10の第1の主面10aの一部をエッチングにより除去する工程を含む。これにより、マスク層100をパターニングする際に炭化珪素基板10の第1の主面10aがオーバーエッチングされるため、マスク層100の開口部OP内に残留する第1の膜110および第2の膜120が確実に除去される。このマスク層100の開口部OPを通じて第1の主面10aに化学エッチングを施すことにより、トレンチTRの側壁面SWおよび底部BTを平坦化(安定化)することができる。   (8) Preferably, in the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to any one of (1) to (7), the step of patterning first film 110 and second film 120 includes first film 110 and A step of removing a part of second film 120 by etching to form opening OP and removing a part of first main surface 10a of silicon carbide substrate 10 exposed at opening OP by etching. Including. Thereby, since first main surface 10a of silicon carbide substrate 10 is over-etched when patterning mask layer 100, first film 110 and second film remaining in opening OP of mask layer 100 are used. 120 is reliably removed. By chemically etching the first main surface 10a through the opening OP of the mask layer 100, the sidewall surface SW and the bottom portion BT of the trench TR can be flattened (stabilized).

(9)上記(1)〜(8)のいずれかに係る炭化珪素半導体装置の製造方法において好ましくは、トレンチTRを形成する工程は、化学エッチングを施す工程の前に、開口部OPにて露出する炭化珪素基板10の第1の主面10aにドライエッチングを施す工程をさらに含む。これにより、炭素面に対してほぼ直角に傾斜し、かつチャネル領域を含む第1の側面SW1と、トレンチTRの上部角部付近に位置し、かつ第1の側面SW1に比べて炭素面に対する傾斜角度が小さい第2の側面SW2とを有するトレンチTRが形成される。トレンチTRが形成された炭化珪素基板10を熱酸化することにより形成されるゲート絶縁膜91は、炭化珪素の熱酸化速度の面方位依存性に従って、第1の側面SW1において薄くされる一方で、第2の側面SW2において厚くされる。したがって、低いチャネル抵抗を実現しながら、ゲート絶縁膜の絶縁信頼性を確保することができる。   (9) Preferably in the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to any one of (1) to (8), the step of forming trench TR is exposed at opening OP before the step of performing chemical etching. The method further includes a step of performing dry etching on the first main surface 10a of the silicon carbide substrate 10 to be performed. As a result, the first side surface SW1 that is inclined substantially at right angles to the carbon surface and includes the channel region, and that is located near the upper corner of the trench TR and that is inclined relative to the carbon surface as compared to the first side surface SW1. A trench TR having a second side surface SW2 having a small angle is formed. While gate insulating film 91 formed by thermally oxidizing silicon carbide substrate 10 in which trench TR is formed is thinned on first side surface SW1 in accordance with the plane orientation dependency of the thermal oxidation rate of silicon carbide, The thickness is increased on the second side surface SW2. Therefore, the insulation reliability of the gate insulating film can be ensured while realizing a low channel resistance.

[本発明の実施形態の詳細]
(実施の形態1)
<炭化珪素半導体装置の構成>
まず、図1〜図3を参照して、本発明の実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置としてのトレンチ型MOSFETの構造について説明する。
[Details of the embodiment of the present invention]
(Embodiment 1)
<Configuration of silicon carbide semiconductor device>
First, the structure of a trench MOSFET as a silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

本実施の形態に係るトレンチ型MOSFETは、炭化珪素基板10と、ゲート絶縁膜91と、ゲート電極92と、層間絶縁膜93と、ソース電極94と、ソース配線層95と、ドレイン電極98とを備える。   The trench MOSFET according to the present embodiment includes silicon carbide substrate 10, gate insulating film 91, gate electrode 92, interlayer insulating film 93, source electrode 94, source wiring layer 95, and drain electrode 98. Prepare.

炭化珪素基板10は、第1の主面10aと、第1の主面10aと反対側の第2の主面10bとを有する。炭化珪素基板10の第1の主面10aは、{000−1}面または{000−1}面から8度以下オフした面である。具体的には、第1の主面10aは、(000−1)面(炭素面)または(000−1)面(炭素面)から8度以下オフした面であり、第2の主面10bは、(0001)面(珪素面)または(0001)面(珪素面)から8度以下オフした面である。   Silicon carbide substrate 10 has a first main surface 10a and a second main surface 10b opposite to the first main surface 10a. First main surface 10a of silicon carbide substrate 10 is a surface that is off by 8 degrees or less from the {000-1} plane or {000-1} plane. Specifically, the first major surface 10a is a (000-1) plane (carbon plane) or a plane that is off by 8 degrees or less from the (000-1) plane (carbon plane), and the second major surface 10b. Is a plane off by 8 degrees or less from the (0001) plane (silicon plane) or the (0001) plane (silicon plane).

炭化珪素基板10は、炭化珪素単結晶基板80と、炭化珪素単結晶基板80上に設けられた炭化珪素エピタキシャル層とを含む。炭化珪素単結晶基板80は、たとえばポリタイプ4Hの六方晶の結晶構造を有する。炭化珪素単結晶基板80は、たとえば窒素(N)などの不純物(ドナー)を含んでおり、n型(第1の導電型)を有する。   Silicon carbide substrate 10 includes a silicon carbide single crystal substrate 80 and a silicon carbide epitaxial layer provided on silicon carbide single crystal substrate 80. Silicon carbide single crystal substrate 80 has, for example, a polytype 4H hexagonal crystal structure. Silicon carbide single crystal substrate 80 contains an impurity (donor) such as nitrogen (N), for example, and has n type (first conductivity type).

炭化珪素エピタキシャル層は、ドリフト領域81と、ボディ領域82と、ソース領域83と、コンタクト領域84とを含んでいる。   The silicon carbide epitaxial layer includes a drift region 81, a body region 82, a source region 83, and a contact region 84.

ドリフト領域81は、たとえば窒素などの不純物を含むn型の領域である。ドリフト領域81の不純物濃度(ドナー濃度)は、炭化珪素単結晶基板80の不純物濃度よりも低いことが好ましい。ドリフト領域81におけるn型不純物の濃度は、たとえば5×1015cm−3程度である。炭化珪素単結晶基板80およびドリフト領域81は、n型を有する領域(第1の不純物領域)であり、炭化珪素基板10の第2の主面10bを形成する。 Drift region 81 is an n-type region containing an impurity such as nitrogen, for example. The impurity concentration (donor concentration) of drift region 81 is preferably lower than the impurity concentration of silicon carbide single crystal substrate 80. The concentration of the n-type impurity in the drift region 81 is, for example, about 5 × 10 15 cm −3 . Silicon carbide single crystal substrate 80 and drift region 81 are n-type regions (first impurity regions), and form second main surface 10b of silicon carbide substrate 10.

ボディ領域82(第2の不純物領域)は、ドリフト領域81上に設けられている。ボディ領域82は、たとえばアルミニウム(Al)またはホウ素(B)などの不純物を含むp型(第2の導電型)の領域である。ボディ領域82におけるp型不純物の濃度は、たとえば1×1018cm−3程度である。 Body region 82 (second impurity region) is provided on drift region 81. Body region 82 is a p-type (second conductivity type) region containing an impurity such as aluminum (Al) or boron (B). The concentration of the p-type impurity in body region 82 is, for example, about 1 × 10 18 cm −3 .

ソース領域83(第3の不純物領域)は、炭化珪素基板10の第1の主面10aを形成し、リン(P)などの不純物を含むn型の領域である。ソース領域83は、ボディ領域82によってドリフト領域81から隔てられるようにボディ領域82上に設けられている。ソース領域83が含むn型不純物の濃度は、ドリフト領域81が含むn型不純物の濃度よりも高い。ソース領域83が含むn型不純物の濃度は、たとえば1×1020cm−3程度である。 Source region 83 (third impurity region) is an n-type region that forms first main surface 10a of silicon carbide substrate 10 and contains an impurity such as phosphorus (P). Source region 83 is provided on body region 82 so as to be separated from drift region 81 by body region 82. The concentration of the n-type impurity included in the source region 83 is higher than the concentration of the n-type impurity included in the drift region 81. The concentration of the n-type impurity contained in the source region 83 is, for example, about 1 × 10 20 cm −3 .

コンタクト領域84は、アルミニウムまたはホウ素などのp型不純物を含むp型の領域である。コンタクト領域84は、炭化珪素基板10の第1の主面10aとボディ領域82とを繋ぐように形成されている。コンタクト領域84が含むp型不純物の濃度は、ボディ領域82が含むp型不純物の濃度よりも高い。コンタクト領域84が含むp型不純物の濃度は、たとえば1×1020cm−3程度である。炭化珪素基板10の第1の主面10aの法線方向に沿ったコンタクト領域84の深さは、ソース領域83の深さよりも深くてもよい。 Contact region 84 is a p-type region containing a p-type impurity such as aluminum or boron. Contact region 84 is formed to connect first main surface 10a of silicon carbide substrate 10 and body region 82. The concentration of the p-type impurity included in contact region 84 is higher than the concentration of the p-type impurity included in body region 82. The concentration of the p-type impurity contained in contact region 84 is, for example, about 1 × 10 20 cm −3 . The depth of contact region 84 along the normal direction of first main surface 10 a of silicon carbide substrate 10 may be deeper than the depth of source region 83.

炭化珪素基板10の第1の主面10aにはトレンチTRが設けられている。トレンチTRは、側壁面SWおよび底部BTを有する。側壁面SWは、ソース領域83およびボディ領域82を貫通してドリフト領域81に至っている。側壁面SWは、炭化珪素基板10の第1の主面10aに対して傾斜しており、これによりトレンチTRは開口に向かってテーパ状に拡がっている。本実施の形態においては、図2に示すように、炭化珪素単結晶基板80の上面上において多数のメサ構造が形成されている。具体的には、メサ構造は上面および底部が六角形状となっており、その側壁は炭化珪素単結晶基板80の上面に対して傾斜している。   Trench TR is provided in first main surface 10a of silicon carbide substrate 10. Trench TR has side wall surface SW and bottom portion BT. Sidewall surface SW passes through source region 83 and body region 82 and reaches drift region 81. Side wall surface SW is inclined with respect to first main surface 10a of silicon carbide substrate 10, whereby trench TR extends in a tapered shape toward the opening. In the present embodiment, as shown in FIG. 2, a number of mesa structures are formed on the upper surface of silicon carbide single crystal substrate 80. Specifically, the mesa structure has a hexagonal shape at the top and bottom, and its side wall is inclined with respect to the top surface of silicon carbide single crystal substrate 80.

側壁面SWは、側面SW1および側面SW2を有する。側面SW1は、ドリフト領域81およびボディ領域82からなる。側面SW1は、ボディ領域82上において、MOSFETのチャネル面を含む。側面SW1は、(000−1)面(炭素面)に対して50度以上の角度で傾斜していることが好ましい。好ましくは、側面SW1は、(000−1)面(炭素面)に対して50度以上65度以下の角度で傾斜している。これにより、側面SW1におけるチャネル抵抗を低減することができるため、トレンチ型MOSFETのオン抵抗を低減することができる。   Side wall surface SW has side surface SW1 and side surface SW2. Side surface SW <b> 1 includes drift region 81 and body region 82. Side surface SW <b> 1 includes a channel surface of the MOSFET on body region 82. Side SW1 is preferably inclined at an angle of 50 degrees or more with respect to the (000-1) plane (carbon plane). Preferably, the side surface SW1 is inclined at an angle of not less than 50 degrees and not more than 65 degrees with respect to the (000-1) plane (carbon plane). Thereby, since the channel resistance in the side surface SW1 can be reduced, the on-resistance of the trench MOSFET can be reduced.

このような側面SW1は、面方位{0−33−8}を有する第1の面を含む。より好ましくは、側面SW1は第1の面を微視的に含み、側面SW1はさらに、面方位{0−11−1}を有する第2の面を微視的に含む。ここで「微視的」とは、原子間隔の2倍程度の寸法を少なくとも考慮する程度に詳細に、ということを意味する。このような微視的な構造の観察方法としては、たとえばTEM(Transmission Electron Microscope)を用いることができる。   Such side surface SW1 includes a first surface having a plane orientation {0-33-8}. More preferably, the side surface SW1 microscopically includes a first surface, and the side surface SW1 further microscopically includes a second surface having a plane orientation {0-11-1}. Here, “microscopic” means that the dimensions are as detailed as at least a dimension of about twice the atomic spacing. As an observation method of such a microscopic structure, for example, a TEM (Transmission Electron Microscope) can be used.

好ましくは、側面SW1の第1の面および第2の面は、面方位{0−11−2}を有する複合面を構成している。すなわち、複合面は、第1の面および第2の面が周期的に繰り返されることによって構成されている。このような周期的構造は、たとえば、TEMまたはAFM(Atomic Force Microscopy)により観察し得る。   Preferably, the first surface and the second surface of the side surface SW1 constitute a composite surface having a surface orientation {0-11-2}. That is, the composite surface is configured by periodically repeating the first surface and the second surface. Such a periodic structure can be observed by, for example, TEM or AFM (Atomic Force Microscopy).

側面SW2は、ソース領域83からなる。側面SW2は、(000−1)面(炭素面)に対して50度よりも小さい角度で傾斜していることが好ましい。好ましくは、側面SW2は、(000−1)面(炭素面)に対して30度以上50度未満の角度で傾斜している。言い換えれば、側面SW2は、トレンチTRの開口部の近傍に位置しており、(000−1)面(炭素面)に対して、上記の側面SW1よりも小さい角度で傾斜している。すなわち、トレンチ型MOSFETは、側面SW1の延長線と第1の主面10aの延長線とにより形成されるトレンチTRの上部角部が実質的に丸められることにより、当該上部角部付近に、側面SW1よりも(000−1)面(炭素面)に対する傾斜角度が小さい側面SW2が形成されている。   The side surface SW2 is composed of a source region 83. Side SW2 is preferably inclined at an angle smaller than 50 degrees with respect to the (000-1) plane (carbon plane). Preferably, the side surface SW2 is inclined at an angle of 30 degrees or more and less than 50 degrees with respect to the (000-1) plane (carbon plane). In other words, the side surface SW2 is located in the vicinity of the opening of the trench TR, and is inclined with respect to the (000-1) plane (carbon surface) at an angle smaller than the side surface SW1. That is, in the trench MOSFET, the upper corner portion of the trench TR formed by the extension line of the side surface SW1 and the extension line of the first main surface 10a is substantially rounded, so that the side surface is located near the upper corner portion. A side surface SW2 having a smaller inclination angle with respect to the (000-1) plane (carbon surface) than SW1 is formed.

底部BTはドリフト領域81上に位置している。本実施の形態において、底部BTは炭化珪素基板10の第1の主面10aとほぼ平行な面である。底部BTは面であっても構わないし、線であっても構わない。底部BTが線である場合、トレンチTRの形状は断面視においてV型となる。   Bottom BT is located on drift region 81. In the present embodiment, bottom portion BT is a surface substantially parallel to first main surface 10a of silicon carbide substrate 10. The bottom BT may be a surface or a line. When the bottom portion BT is a line, the shape of the trench TR is V-shaped when viewed in cross section.

ゲート絶縁膜91は、トレンチTRの側壁面SWおよび底部BTと、炭化珪素基板10の第1の主面10aとに接するように設けられている。ゲート絶縁膜91は、炭化珪素基板10の第1の主面10aおよびトレンチTRの側面SW2においてソース領域83と接しており、トレンチTRの側面SW1においてボディ領域82と接しており、トレンチTRの側面SW1および底部BTの各々においてドリフト領域81と接している。ゲート絶縁膜91に接するボディ領域82の一部においてチャネル領域が形成可能に構成されている。ゲート絶縁膜91は二酸化珪素膜であり、熱酸化により形成される。ゲート絶縁膜91の厚さは、たとえば40nm以上60nm以下程度である。   Gate insulating film 91 is provided in contact with side wall surface SW and bottom portion BT of trench TR and first main surface 10a of silicon carbide substrate 10. Gate insulating film 91 is in contact with source region 83 at first main surface 10a of silicon carbide substrate 10 and side surface SW2 of trench TR, and is in contact with body region 82 at side surface SW1 of trench TR, and the side surface of trench TR Each of SW1 and bottom BT is in contact with drift region 81. A channel region can be formed in part of the body region 82 in contact with the gate insulating film 91. The gate insulating film 91 is a silicon dioxide film and is formed by thermal oxidation. The thickness of the gate insulating film 91 is, for example, about 40 nm to 60 nm.

図3を参照して、ゲート絶縁膜91は、側面SW1を覆う側面部910と、側面SW2を覆う側面部911と、側面SW2に連なる第1の主面10aの一部を覆う平坦部912とを含む。側面部910は厚さd1を有する。側面部911は厚さd2を有する。平坦部912は厚さd3を有する。側面部911は、厚さd1を有する部分と厚さd3を有する部分との間で厚さが連続的に変化している。厚さd2はたとえば側面部911の厚みの平均値である。   Referring to FIG. 3, gate insulating film 91 includes a side surface portion 910 that covers side surface SW1, a side surface portion 911 that covers side surface SW2, and a flat portion 912 that covers a part of first main surface 10a connected to side surface SW2. including. The side surface portion 910 has a thickness d1. The side part 911 has a thickness d2. The flat portion 912 has a thickness d3. The thickness of the side surface portion 911 continuously changes between the portion having the thickness d1 and the portion having the thickness d3. The thickness d2 is, for example, an average value of the thickness of the side surface portion 911.

上述したゲート絶縁膜91の厚さに関しては、少なくともd2>d1が満たされている。好ましくはd3>d2>d1が満たされている。このようなゲート絶縁膜91の厚さにおける大小関係は、後述するように、炭化珪素における熱酸化速度の面方位依存性を用いることによって形成することができる。   Regarding the thickness of the gate insulating film 91 described above, at least d2> d1 is satisfied. Preferably, d3> d2> d1 is satisfied. Such a magnitude relationship in the thickness of the gate insulating film 91 can be formed by using the plane orientation dependence of the thermal oxidation rate in silicon carbide, as will be described later.

ゲート電極92は、ゲート絶縁膜91上に設けられている。ソース電極94は、ソース領域83およびコンタクト領域84の各々に接している。ソース配線層95はソース電極94に接している。ソース配線層95は、たとえばアルミニウム層である。層間絶縁膜93は、ゲート電極92とソース配線層95との間を絶縁している。ドレイン電極98は、炭化珪素基板10の第2の主面10b(炭化珪素単結晶基板80)に接して配置されている。   The gate electrode 92 is provided on the gate insulating film 91. Source electrode 94 is in contact with each of source region 83 and contact region 84. The source wiring layer 95 is in contact with the source electrode 94. Source wiring layer 95 is, for example, an aluminum layer. The interlayer insulating film 93 insulates between the gate electrode 92 and the source wiring layer 95. Drain electrode 98 is arranged in contact with second main surface 10b (silicon carbide single crystal substrate 80) of silicon carbide substrate 10.

<炭化珪素半導体装置の製造方法>
次に、図4〜図16を参照して、本実施の形態に係るトレンチ型MOSFETの製造方法について説明する。
<Method for Manufacturing Silicon Carbide Semiconductor Device>
Next, with reference to FIGS. 4-16, the manufacturing method of the trench type MOSFET which concerns on this Embodiment is demonstrated.

(1)炭化珪素基板準備工程
まず、炭化珪素基板準備工程(S10:図4)が実施される。炭化珪素基板準備工程は、炭化珪素単結晶基板準備工程(S101:図5)、エピタキシャル層形成工程(S102:図5)およびイオン注入工程(S103:図5)により構成される。
(1) Silicon carbide substrate preparation process First, a silicon carbide substrate preparation process (S10: FIG. 4) is implemented. The silicon carbide substrate preparation step includes a silicon carbide single crystal substrate preparation step (S101: FIG. 5), an epitaxial layer formation step (S102: FIG. 5), and an ion implantation step (S103: FIG. 5).

具体的には、炭化珪素単結晶基板準備工程(S101:図5)では、昇華法により形成されたポリタイプ4Hを有する六方晶炭化珪素からなるインゴットをスライスすることにより、炭化珪素単結晶基板80が準備される。   Specifically, in the silicon carbide single crystal substrate preparation step (S101: FIG. 5), a silicon carbide single crystal substrate 80 is obtained by slicing an ingot made of hexagonal silicon carbide having polytype 4H formed by a sublimation method. Is prepared.

次に、エピタキシャル層形成工程(S102:図5)が実施される。具体的には、図6を参照して、炭化珪素単結晶基板80上に、炭化珪素エピタキシャル層が形成される。炭化珪素エピタキシャル層は、n型を有するドリフト領域81(第1の不純物領域)を含む。炭化珪素エピタキシャル層の形成は、たとえば原料ガスとしてシラン(SiH)とプロパン(C)との混合ガスを用い、キャリアガスとしてたとえば水素(H)ガスを用いたCVD(Chemical Vapor Deposition)法により行なうことができる。エピタキシャル成長の際、不純物としてたとえば窒素(N)が導入される。 Next, an epitaxial layer forming step (S102: FIG. 5) is performed. Specifically, referring to FIG. 6, a silicon carbide epitaxial layer is formed on silicon carbide single crystal substrate 80. The silicon carbide epitaxial layer includes an n type drift region 81 (first impurity region). For example, the silicon carbide epitaxial layer is formed by CVD (Chemical Vapor Deposition) using, for example, a mixed gas of silane (SiH 4 ) and propane (C 3 H 8 ) as a source gas and using, for example, hydrogen (H 2 ) gas as a carrier gas. ) Method. During the epitaxial growth, for example, nitrogen (N) is introduced as an impurity.

次に、イオン注入工程(S103:図5)が実施される。具体的には、図7を参照して、ドリフト領域81に対して、たとえばアルミニウムなどのp型不純物がイオン注入されることにより、ドリフト領域81に接するボディ領域82(第2の不純物領域)が形成される。次に、ボディ領域82に対して、たとえばリンなどのn型不純物がイオン注入されることにより、ソース領域83(第3の不純物領域)が形成される。次に、ソース領域83に対して、たとえばアルミニウムなどのp型不純物がイオン注入されることにより、第1の主面10aからボディ領域82まで延在するコンタクト領域84が形成される。なお、イオン注入の代わりに、不純物添加を伴なうエピタキシャル成長が用いられてもよい。   Next, an ion implantation step (S103: FIG. 5) is performed. Specifically, referring to FIG. 7, body region 82 (second impurity region) in contact with drift region 81 is formed by ion implantation of a p-type impurity such as aluminum into drift region 81. It is formed. Next, n-type impurity such as phosphorus is ion-implanted into body region 82 to form source region 83 (third impurity region). Next, a p-type impurity such as aluminum is ion-implanted into source region 83, so that contact region 84 extending from first main surface 10a to body region 82 is formed. In place of ion implantation, epitaxial growth with impurity addition may be used.

次に、イオン注入により添加された不純物を活性化するための熱処理(活性化アニール)が行なわれる。活性化アニールの温度は、好ましくは1500℃以上1900℃以下であり、たとえば1700℃程度である。熱処理の時間は、たとえば30分程度である。熱処理の雰囲気は、好ましくは不活性ガス雰囲気であり、たとえばアルゴン雰囲気である。   Next, heat treatment (activation annealing) for activating the impurities added by ion implantation is performed. The temperature of activation annealing is preferably 1500 ° C. or higher and 1900 ° C. or lower, for example, about 1700 ° C. The heat treatment time is, for example, about 30 minutes. The atmosphere of the heat treatment is preferably an inert gas atmosphere, for example, an argon atmosphere.

以上により、第1の主面10aと、第1の主面10aと反対側の第2の主面10bとを有する炭化珪素基板10が準備される。炭化珪素基板10の第1の主面10aは(000−1)面(炭素面)または(000−1)面(炭素面)から8度以下オフした面である。炭化珪素基板10は、n型を有するドリフト領域81と、ドリフト領域81と接し、かつp型を有するボディ領域82と、n型を有し、ボディ領域82によってドリフト領域81から隔てられたソース領域83と、p型を有し、かつ第1の主面10aとボディ領域82とを繋ぐコンタクト領域84とを含む。なお、上記では、ソース領域83が形成された後にコンタクト領域84が形成される場合について説明したが、コンタクト領域84が形成された後にソース領域83が形成されてもよい。   As described above, silicon carbide substrate 10 having first main surface 10a and second main surface 10b opposite to first main surface 10a is prepared. First main surface 10a of silicon carbide substrate 10 is a surface that is off by 8 degrees or less from (000-1) plane (carbon plane) or (000-1) plane (carbon plane). Silicon carbide substrate 10 has a drift region 81 having n type, a body region 82 in contact with drift region 81 and having a p type, and a source region having an n type and separated from drift region 81 by body region 82. 83, and a contact region 84 having a p-type and connecting first main surface 10a and body region 82. In the above description, the contact region 84 is formed after the source region 83 is formed. However, the source region 83 may be formed after the contact region 84 is formed.

(2)エッチングマスク層形成工程
次に、エッチングマスク層形成工程(S20:図4)が実施される。たとえば、ソース領域83およびコンタクト領域84から構成される第1の主面10a上に、開口部OPを有するエッチングマスク層100(図11)が形成される。開口部OPはトレンチTR(図1)の位置に対応して形成される。
(2) Etching mask layer formation process Next, an etching mask layer formation process (S20: FIG. 4) is implemented. For example, the etching mask layer 100 (FIG. 11) having the opening OP is formed on the first main surface 10 a composed of the source region 83 and the contact region 84. The opening OP is formed corresponding to the position of the trench TR (FIG. 1).

図8に示すように、エッチングマスク層形成工程は、熱酸化膜形成工程(S201)、堆積酸化膜形成工程(S202)およびパターニング工程(S203)により構成される。   As shown in FIG. 8, the etching mask layer forming step includes a thermal oxide film forming step (S201), a deposited oxide film forming step (S202), and a patterning step (S203).

まず、熱酸化膜形成工程(S201:図8)が実施される。具体的には、図9を参照して、炭化珪素基板10の第1の主面10aが熱酸化される。熱酸化は、たとえば酸素雰囲気中で1300℃程度に加熱し、40分間程度保持することにより実施する。これにより、第1の主面10a上に、二酸化珪素(SiO)からなる熱酸化膜110(第1の膜)が形成される。熱酸化膜110の厚さは、好ましくは100オングストローム以上1000オングストローム以下である。 First, a thermal oxide film forming step (S201: FIG. 8) is performed. Specifically, referring to FIG. 9, first main surface 10a of silicon carbide substrate 10 is thermally oxidized. The thermal oxidation is performed, for example, by heating to about 1300 ° C. in an oxygen atmosphere and holding for about 40 minutes. Thus, a thermal oxide film 110 (first film) made of silicon dioxide (SiO 2 ) is formed on the first main surface 10a. The thickness of the thermal oxide film 110 is preferably 100 angstroms or more and 1000 angstroms or less.

次に、堆積酸化膜形成工程(S202:図8)が実施される。図10を参照して、熱酸化膜110上に、堆積酸化膜120(第2の膜)が形成される。具体的には、たとえば600℃以上800℃以下程度の温度下において6時間程度、TEOS(Tetraethylortosilicate)ガスが炭化珪素基板10に供給される。なお、本工程における熱処理温度は、後述するトレンチ形成工程(S30:図4)で実施される熱エッチング工程における熱処理温度よりも低いことが好ましい。以上により、熱酸化膜110を覆うように堆積酸化膜120が形成される。堆積酸化膜120の厚さは、好ましくは5000オングストローム以上20000オングストローム以下である。   Next, a deposited oxide film forming step (S202: FIG. 8) is performed. Referring to FIG. 10, deposited oxide film 120 (second film) is formed on thermal oxide film 110. Specifically, for example, TEOS (Tetraethylortosilicate) gas is supplied to silicon carbide substrate 10 at a temperature of about 600 ° C. to 800 ° C. for about 6 hours. In addition, it is preferable that the heat processing temperature in this process is lower than the heat processing temperature in the thermal etching process implemented at the trench formation process (S30: FIG. 4) mentioned later. Thus, the deposited oxide film 120 is formed so as to cover the thermal oxide film 110. The thickness of the deposited oxide film 120 is preferably 5000 angstroms or more and 20000 angstroms or less.

堆積酸化膜120は、熱酸化膜110に比べて、二酸化珪素の密度が低いという特徴を有している。そのため、堆積酸化膜120は、熱酸化膜110に比べて加熱時における体積の収縮率が大きい。本実施の形態では、堆積酸化膜120の厚みを熱酸化膜110の厚みに比べて十分に大きくする。これにより、加熱時の堆積酸化膜120の体積収縮量は、熱酸化膜110の体積収縮量に比べて十分に大きくなる。その結果、体積収縮によって発生する圧縮応力は、堆積酸化膜120が熱酸化膜110よりも大きくなる。   The deposited oxide film 120 has a feature that the density of silicon dioxide is lower than that of the thermal oxide film 110. Therefore, the deposited oxide film 120 has a larger volume shrinkage rate during heating than the thermal oxide film 110. In the present embodiment, the thickness of the deposited oxide film 120 is made sufficiently larger than the thickness of the thermal oxide film 110. Thereby, the volume shrinkage amount of the deposited oxide film 120 during heating is sufficiently larger than the volume shrinkage amount of the thermal oxide film 110. As a result, the compressive stress generated by the volume contraction is larger in the deposited oxide film 120 than in the thermal oxide film 110.

次に、パターニング工程(S203:図8)が実施される。図11を参照して、トレンチTR(図1)が形成される位置に対応した開口部OPを有するように、熱酸化膜110および堆積酸化膜120をパターニングする。具体的には、まず、堆積酸化膜120上にトレンチTRの位置に対応した開口を有するレジスト層(図示せず)がフォトリソグラフィーにより形成される。次に、熱酸化膜110および堆積酸化膜120がエッチングされることにより、エッチングマスク層100が形成される。エッチングの方法としては、たとえばドライエッチングであり、より具体的には、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング(ICP−RIE)を用いることができる。   Next, a patterning step (S203: FIG. 8) is performed. Referring to FIG. 11, thermal oxide film 110 and deposited oxide film 120 are patterned so as to have an opening OP corresponding to the position where trench TR (FIG. 1) is formed. Specifically, first, a resist layer (not shown) having an opening corresponding to the position of trench TR is formed on deposited oxide film 120 by photolithography. Next, the etching mask layer 100 is formed by etching the thermal oxide film 110 and the deposited oxide film 120. As an etching method, for example, dry etching is used, and more specifically, inductively coupled plasma reactive ion etching (ICP-RIE) can be used.

なお、上記の熱酸化膜110および堆積酸化膜120のエッチングにおいて、開口部OPにて露出する第1の主面10aの一部がオーバーエッチングされてもよい。すなわち、熱酸化膜110および堆積酸化膜120がエッチングされるとともに、第1の主面10aの一部がエッチングされる。第1の主面10aがオーバーエッチングされることにより、開口部OP中に位置するエッチングマスク層100が確実に除去される。炭化珪素基板10の第1の主面10a上にエッチングマスク層100が残っている状態で熱エッチングを行なうと、トレンチTRの側壁面SWおよび底部BTを形成する炭化珪素エピタキシャル層の表面に凹凸が生じてしまう。本実施の形態では、第1の主面10aのオーバーエッチによって開口部OP中に位置するエッチングマスク層100を確実に除去できるため、トレンチTRの側壁面SWおよび底部BTを形成する炭化珪素エピタキシャル層を平坦化(安定化)することができる。   In the etching of the thermal oxide film 110 and the deposited oxide film 120 described above, a part of the first main surface 10a exposed at the opening OP may be over-etched. That is, the thermal oxide film 110 and the deposited oxide film 120 are etched, and a part of the first main surface 10a is etched. By over-etching the first main surface 10a, the etching mask layer 100 located in the opening OP is reliably removed. When thermal etching is performed with etching mask layer 100 remaining on first main surface 10a of silicon carbide substrate 10, the surface of the silicon carbide epitaxial layer that forms sidewall surface SW and bottom portion BT of trench TR is uneven. It will occur. In the present embodiment, etching mask layer 100 located in opening OP can be surely removed by overetching first main surface 10a, and therefore, a silicon carbide epitaxial layer that forms sidewall surface SW and bottom portion BT of trench TR. Can be flattened (stabilized).

以上により、熱酸化膜110(第1の膜)と、熱酸化膜110上に形成され、熱酸化膜110よりも低密度の堆積酸化膜120(第2の膜)とを含み、かつ、トレンチTRが形成される位置に対応する開口部OPを有するエッチングマスク層100が形成される。   As described above, the thermal oxide film 110 (first film), the deposited oxide film 120 (second film) formed on the thermal oxide film 110 and having a lower density than the thermal oxide film 110, and a trench are formed. An etching mask layer 100 having an opening OP corresponding to the position where TR is formed is formed.

(3)トレンチ形成工程
次に、トレンチ形成工程(S30:図4)が実施される。具体的には、エッチングマスク層100の開口部OPを通じて、炭化珪素基板10の一部をエッチングにより除去することにより、炭化珪素基板10の第1の主面10aにトレンチTRが形成される。
(3) Trench formation process Next, a trench formation process (S30: Drawing 4) is carried out. Specifically, trench TR is formed in first main surface 10a of silicon carbide substrate 10 by removing part of silicon carbide substrate 10 by etching through opening OP of etching mask layer 100.

トレンチ形成工程は、炭化珪素基板10を加熱しながら、エッチングマスク層100の開口部OPにて露出する炭化珪素基板10の第1の主面10aに化学エッチングを施す工程を含む。具体的には、エッチングマスク層100の開口部OPを通じて、炭化珪素基板10の第1の主面10aに対して熱エッチングが行なわれる。熱エッチングは、たとえば、少なくとも1種類以上のハロゲン原子を有する反応性ガスを含む雰囲気中での加熱によって行ない得る。少なくとも1種類以上のハロゲン原子は、塩素(Cl)原子およびフッ素(F)原子の少なくともいずれかを含む。この雰囲気は、たとえば、Cl、BCl、SF、またはCFである。たとえば、塩素ガスと酸素ガスとの混合ガスを用い、熱処理温度を、たとえば800℃以上1000℃以下程度として、熱エッチングが行なわれる。 The trench formation step includes a step of performing chemical etching on first main surface 10a of silicon carbide substrate 10 exposed at opening OP of etching mask layer 100 while heating silicon carbide substrate 10. Specifically, thermal etching is performed on first main surface 10a of silicon carbide substrate 10 through opening OP of etching mask layer 100. The thermal etching can be performed, for example, by heating in an atmosphere containing a reactive gas having at least one or more types of halogen atoms. The at least one or more types of halogen atom includes at least one of a chlorine (Cl) atom and a fluorine (F) atom. This atmosphere is, for example, Cl 2 , BCl 3 , SF 6 , or CF 4 . For example, thermal etching is performed using a mixed gas of chlorine gas and oxygen gas and a heat treatment temperature of, for example, about 800 ° C. to 1000 ° C.

なお、反応ガスは、上述した塩素ガスおよび酸素ガスに加えて、キャリアガスを含んでいてもよい。キャリアガスとしては、たとえば窒素(N)ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスなどを用いることができる。なお、熱エッチングの際に、二酸化珪素膜からなるエッチングマスク層100は、炭化珪素に対する選択比が極めて大きいため、炭化珪素のエッチング中に実質的にエッチングされない。 Note that the reaction gas may contain a carrier gas in addition to the above-described chlorine gas and oxygen gas. As the carrier gas, for example, nitrogen (N 2 ) gas, argon gas, helium gas or the like can be used. In thermal etching, etching mask layer 100 made of a silicon dioxide film has a very high selectivity with respect to silicon carbide, and therefore is not substantially etched during the etching of silicon carbide.

ここで、上記の熱エッチングにおいては、図12に示すように、エッチングマスク層100の開口部OPにおいて、炭化珪素基板10の第1の主面10aがエッチングされる。さらにエッチング中、熱処理によって堆積酸化膜120が収縮する。図12中の白矢印は、堆積酸化膜120が収縮する挙動を模式的に示したものである。一方、堆積酸化膜120下の熱酸化膜110は、堆積酸化膜120に比べて緻密であり、かつ、膜厚が十分に薄いため、収縮量が十分に小さい。なお、堆積酸化膜120の収縮にかかる熱処理時間は、900℃においてたとえば5秒〜20分程度である。   Here, in the above thermal etching, first main surface 10a of silicon carbide substrate 10 is etched in opening OP of etching mask layer 100 as shown in FIG. Further, during etching, the deposited oxide film 120 contracts due to the heat treatment. The white arrows in FIG. 12 schematically show the behavior of the deposited oxide film 120 contracting. On the other hand, the thermal oxide film 110 under the deposited oxide film 120 is denser than the deposited oxide film 120 and has a sufficiently small thickness, so that the contraction amount is sufficiently small. Note that the heat treatment time required for the shrinkage of the deposited oxide film 120 is, for example, about 5 seconds to 20 minutes at 900 ° C.

上記のように堆積酸化膜120が収縮することによって、堆積酸化膜120に圧縮応力が発生する。この圧縮応力を受けて熱酸化膜110には歪みが生じる。具体的には、熱酸化膜110は、図13に示すように、炭化珪素基板10側に凸状に反る。図13中の黒矢印は、熱酸化膜110が歪む挙動を模式的に示したものである。本実施の形態においては、堆積酸化膜形成工程(S202:図8)において、堆積酸化膜120の厚さを5000オングストローム以上20000オングストローム以下とすることにより、熱酸化膜110に与える応力を効果的に発生させることができる。また、熱酸化膜110の厚さを100オングストローム以上1000オングストローム以下とすることにより、堆積酸化膜120からの応力を受けて熱酸化膜110を効果的に反らせることができる。   As the deposited oxide film 120 shrinks as described above, compressive stress is generated in the deposited oxide film 120. In response to this compressive stress, the thermal oxide film 110 is distorted. Specifically, as shown in FIG. 13, thermal oxide film 110 warps in a convex shape toward silicon carbide substrate 10 side. The black arrows in FIG. 13 schematically show the behavior of the thermal oxide film 110 being distorted. In the present embodiment, in the deposited oxide film forming step (S202: FIG. 8), the stress applied to the thermal oxide film 110 is effectively increased by setting the thickness of the deposited oxide film 120 to 5000 angstroms or more and 20000 angstroms or less. Can be generated. Further, by setting the thickness of the thermal oxide film 110 to 100 angstroms or more and 1000 angstroms or less, the thermal oxide film 110 can be effectively warped by receiving stress from the deposited oxide film 120.

熱酸化膜110に反りが生じることによって、炭化珪素基板10の第1の主面10aと熱酸化膜110との密着性が弱められる。これにより、図13に示すように、熱酸化膜110の開口部OPを取り囲む縁部と、炭化珪素基板10の第1の主面10aとの間には間隙GPが形成される。   When warpage occurs in thermal oxide film 110, the adhesion between first main surface 10a of silicon carbide substrate 10 and thermal oxide film 110 is weakened. Thereby, as shown in FIG. 13, gap GP is formed between the edge surrounding opening OP of thermal oxide film 110 and first main surface 10 a of silicon carbide substrate 10.

間隙GPが形成されたことによって炭化珪素基板10の第1の主面10aが新たに露出すると、この露出した第1の主面10aに対してエッチングが行なわれる。すなわち、開口部OPを通じて、トレンチTRの側面SW1および底部BTが形成されるべき領域がエッチングされるとともに、間隙GPを通じて、トレンチTRの上部角部付近に位置する第1の主面10aがエッチングされる。このとき、(000−1)面(炭素面)は炭化珪素の結晶面の中で最もエッチング速度が速いため、実質的に、間隙GPにおけるサイドエッチングが促進される。なお、間隙GPにおけるサイドエッチングがソース領域83内で止まるように、言い換えれば、間隙GPにおけるサイドエッチングがボディ領域82に達しないように、熱エッチングの処理時間が制御される。   When the first main surface 10a of the silicon carbide substrate 10 is newly exposed due to the formation of the gap GP, the exposed first main surface 10a is etched. That is, the region where side surface SW1 and bottom portion BT of trench TR are to be formed is etched through opening OP, and first main surface 10a located near the upper corner of trench TR is etched through gap GP. The At this time, since the (000-1) plane (carbon plane) has the fastest etching rate among the crystal planes of silicon carbide, side etching in the gap GP is substantially promoted. Note that the thermal etching processing time is controlled so that side etching in the gap GP stops in the source region 83, in other words, side etching in the gap GP does not reach the body region 82.

この結果、図13に示すように、炭化珪素基板10の第1の主面10aにトレンチTRが形成される。トレンチTRは、ソース領域83およびボディ領域82を貫通してドリフト領域81に至る側壁面SWと、側壁面SWと連接し、かつドリフト領域81に位置する底部BTとを有する。側壁面SWは、ドリフト領域81およびボディ領域82からなり、(000−1)面(炭素面)に対して50度以上65度以下の角度で傾斜している側面SW1と、ソース領域83からなり、(000−1)面(炭素面)に対して50度よりも小さい角度で傾斜している側面SW2とを有する。側面SW1は、面方位{0−33−8}を有する面を含んでいる。   As a result, trench TR is formed in first main surface 10a of silicon carbide substrate 10 as shown in FIG. Trench TR has side wall surface SW passing through source region 83 and body region 82 to drift region 81, and bottom portion BT connected to side wall surface SW and located in drift region 81. Side wall surface SW is composed of drift region 81 and body region 82, and is composed of side surface SW1 inclined at an angle of 50 degrees or more and 65 degrees or less with respect to (000-1) plane (carbon plane), and source region 83. , And (000-1) plane (carbon plane) and side surface SW2 inclined at an angle smaller than 50 degrees. Side SW1 includes a plane having a plane orientation {0-33-8}.

ソース領域83、ボディ領域82およびドリフト領域81の各々が熱エッチングされてトレンチTRの側壁面SWを形成する際、エッチングマスク層100は実質的にエッチングされないので、エッチングマスク層100は、第1の主面10a上からトレンチTRの側壁面SW上に張り出すように残される。次に、エッチングマスク層100がエッチングなどの任意の方法により除去される。   When each of source region 83, body region 82, and drift region 81 is thermally etched to form sidewall surface SW of trench TR, etching mask layer 100 is not substantially etched. The main surface 10a is left so as to protrude onto the side wall surface SW of the trench TR. Next, the etching mask layer 100 is removed by an arbitrary method such as etching.

(4)ゲート絶縁膜形成工程
次に、ゲート絶縁膜形成工程(S40:図4)が実施される。具体的には、炭化珪素基板10の第1の主面10aにトレンチTRが形成された炭化珪素基板10が加熱炉内に配置される。加熱炉内に窒素(N)ガスが導入された状態を維持しながら、炭化珪素基板10の温度を室温から1300℃まで加熱する。炭化珪素基板10が1300℃になった後、酸素(O)ガスが導入される。酸素雰囲気中において、炭化珪素基板10を1300℃程度の温度で1時間程度保持することにより、炭化珪素基板10の第1の主面10a上にゲート絶縁膜91が形成される。好ましくは、炭化珪素基板10は、酸素雰囲気中において、1100℃以上1400℃以下の温度で、たとえば1時間程度保持される。この熱酸化の温度は、面方位に応じて熱酸化速度が相違する現象を発生させる温度である。
(4) Gate Insulating Film Forming Step Next, a gate insulating film forming step (S40: FIG. 4) is performed. Specifically, silicon carbide substrate 10 in which trench TR is formed in first main surface 10a of silicon carbide substrate 10 is placed in a heating furnace. While maintaining the state where nitrogen (N 2 ) gas is introduced into the heating furnace, the temperature of silicon carbide substrate 10 is heated from room temperature to 1300 ° C. After silicon carbide substrate 10 reaches 1300 ° C., oxygen (O 2 ) gas is introduced. By holding silicon carbide substrate 10 at a temperature of about 1300 ° C. for about 1 hour in an oxygen atmosphere, gate insulating film 91 is formed on first main surface 10a of silicon carbide substrate 10. Preferably, silicon carbide substrate 10 is held in an oxygen atmosphere at a temperature of 1100 ° C. or higher and 1400 ° C. or lower, for example, for about 1 hour. The temperature of this thermal oxidation is a temperature that generates a phenomenon in which the thermal oxidation rate differs depending on the plane orientation.

以上のようにして、図14に示すように、トレンチTRの側壁面SWおよび底部BTと、炭化珪素基板10の第1の主面10aとを覆うように二酸化珪素からなるゲート絶縁膜91が、熱酸化により形成される。   As described above, as shown in FIG. 14, gate insulating film 91 made of silicon dioxide covers side wall surface SW and bottom portion BT of trench TR and first main surface 10a of silicon carbide substrate 10, It is formed by thermal oxidation.

ここで、ゲート絶縁膜91の厚みについては、図3で説明したように、側面SW1を覆う側面部の厚さをd1とし、側面SW2を覆う側面部の厚さをd2とし、第1の主面10aを覆う平坦部の厚さをd3とすると、d3>d2>d1が満たされている。このようなゲート絶縁膜91の厚さにおける大小関係は、炭化珪素における熱酸化速度の面方位依存性を用いて形成することができる。   Here, regarding the thickness of the gate insulating film 91, as described with reference to FIG. 3, the thickness of the side surface portion covering the side surface SW1 is d1, and the thickness of the side surface portion covering the side surface SW2 is d2. If the thickness of the flat portion covering the surface 10a is d3, d3> d2> d1 is satisfied. Such a magnitude relationship in the thickness of the gate insulating film 91 can be formed using the plane orientation dependence of the thermal oxidation rate in silicon carbide.

詳細には、本実施の形態において、炭化珪素基板10の第1の主面10aは、(000−1)面(炭素面)または(000−1)面(炭素面)から8度以下オフした面である。トレンチTRの側壁面SWにおいて、側面SW1は(000−1)面(炭素面)に対して50度以上の角度(好ましくは50度以上65度以下の角度)傾斜した面であり、側面SW2は(000−1)面(炭素面)に対して50度よりも小さい角度傾斜した面である。ポリタイプ4Hの六方晶の結晶構造を有する炭化珪素は、面方位によって熱酸化速度が相違するという熱酸化速度の面方位依存性を有している。これによれば、(000−1)面(炭素面)が最も熱酸化速度が速く、(0001)面(珪素面)が最も熱酸化速度が遅い。この熱酸化速度の面方位依存性に起因して、ゲート絶縁膜91を形成する際、炭化珪素基板10の第1の主面10aの熱酸化速度が最も速くなり、側面SW1の熱酸化速度が最も遅くなり、側面SW2の熱酸化速度がその中間となる。その結果、ゲート絶縁膜91の厚さには上述した大小関係が形成される。   Specifically, in the present embodiment, first main surface 10a of silicon carbide substrate 10 is turned off by 8 degrees or less from (000-1) plane (carbon plane) or (000-1) plane (carbon plane). Surface. In the side wall surface SW of the trench TR, the side surface SW1 is a surface inclined by an angle of 50 degrees or more (preferably an angle of 50 degrees or more and 65 degrees or less) with respect to the (000-1) plane (carbon plane). The surface is inclined at an angle smaller than 50 degrees with respect to the (000-1) plane (carbon plane). Silicon carbide having a hexagonal crystal structure of polytype 4H has a surface orientation dependency of the thermal oxidation rate such that the thermal oxidation rate differs depending on the plane orientation. According to this, the (000-1) plane (carbon plane) has the fastest thermal oxidation rate, and the (0001) plane (silicon plane) has the slowest thermal oxidation rate. Due to the dependence of the thermal oxidation rate on the plane orientation, when the gate insulating film 91 is formed, the first main surface 10a of the silicon carbide substrate 10 has the highest thermal oxidation rate, and the side SW1 has a thermal oxidation rate. It becomes the slowest, and the thermal oxidation rate of the side surface SW2 is in the middle. As a result, the above-described magnitude relationship is formed in the thickness of the gate insulating film 91.

なお、ゲート絶縁膜91の形成後に、雰囲気ガスとして一酸化窒素(NO)ガスを用いるNOアニールが行なわれてもよい。具体的には、たとえば、ゲート絶縁膜91が形成された炭化珪素基板10が、一酸化窒素雰囲気中において温度1100℃以上1300℃以下で1時間程度保持される。これにより、ゲート絶縁膜91とボディ領域82との界面領域に窒素原子が導入される。その結果、界面領域における界面準位の形成が抑制されることで、チャネル移動度を向上させることができる。なお、このような窒素原子の導入が可能であれば、NOガス以外のガスが雰囲気ガスとして用いられてもよい。   Note that after the formation of the gate insulating film 91, NO annealing using nitrogen monoxide (NO) gas as an atmospheric gas may be performed. Specifically, for example, silicon carbide substrate 10 on which gate insulating film 91 is formed is held at a temperature of 1100 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower for about 1 hour in a nitrogen monoxide atmosphere. As a result, nitrogen atoms are introduced into the interface region between the gate insulating film 91 and the body region 82. As a result, the formation of interface states in the interface region is suppressed, so that channel mobility can be improved. As long as such nitrogen atoms can be introduced, a gas other than NO gas may be used as the atmospheric gas.

このNOアニールの後にさらに、雰囲気ガスとしてアルゴン(Ar)を用いるArアニールが行なわれてもよい。アニールの加熱温度は、上記NOアニールの加熱温度よりも高く、ゲート絶縁膜91の融点よりも低いことが好ましい。この加熱温度が保持される時間は、たとえば1時間程度である。これにより、ゲート絶縁膜91とボディ領域82との界面領域における界面準位の形成がさらに抑制される。なお、雰囲気ガスとして、Arガスに代えて窒素ガスなどの他の不活性ガスが用いられてもよい。   Ar annealing using argon (Ar) as an atmospheric gas may be further performed after the NO annealing. The annealing heating temperature is preferably higher than the NO annealing heating temperature and lower than the melting point of the gate insulating film 91. The time during which this heating temperature is maintained is, for example, about 1 hour. Thereby, the formation of the interface state in the interface region between the gate insulating film 91 and the body region 82 is further suppressed. Note that other inert gas such as nitrogen gas may be used as the atmospheric gas instead of Ar gas.

(5)表面電極形成工程
次に、表面電極形成工程(S50:図4)が実施される。表面電極形成工程では、ゲート電極92と、ソース電極94とが形成される。図15を参照して、ゲート絶縁膜91上にゲート電極92が形成される。具体的には、たとえばLPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)法により、ゲート絶縁膜91上に、不純物を含むポリシリコンからなるゲート電極92が形成される。ゲート電極92は、ゲート絶縁膜91を介してドリフト領域81、ボディ領域82およびソース領域83に対向して形成される。
(5) Surface electrode formation process Next, the surface electrode formation process (S50: FIG. 4) is implemented. In the surface electrode formation step, the gate electrode 92 and the source electrode 94 are formed. Referring to FIG. 15, gate electrode 92 is formed on gate insulating film 91. Specifically, the gate electrode 92 made of polysilicon containing impurities is formed on the gate insulating film 91 by, for example, LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition). Gate electrode 92 is formed to face drift region 81, body region 82, and source region 83 with gate insulating film 91 interposed therebetween.

次に、図16を参照して、たとえば二酸化珪素からなる層間絶縁膜93が、ゲート絶縁膜91およびゲート電極92を覆うように形成される。その後、ソース電極94が形成される予定の領域において開口を有するように、層間絶縁膜93およびゲート絶縁膜91がパターニングされる。好ましくは、ソース領域83およびコンタクト領域84の各々が、層間絶縁膜93およびゲート絶縁膜91から露出するように、層間絶縁膜93およびゲート絶縁膜91がエッチングされる。エッチングガスとしてCFを使用することができる。 Next, referring to FIG. 16, an interlayer insulating film 93 made of, for example, silicon dioxide is formed so as to cover gate insulating film 91 and gate electrode 92. Thereafter, interlayer insulating film 93 and gate insulating film 91 are patterned so as to have an opening in a region where source electrode 94 is to be formed. Preferably, interlayer insulating film 93 and gate insulating film 91 are etched such that source region 83 and contact region 84 are exposed from interlayer insulating film 93 and gate insulating film 91, respectively. CF 4 can be used as an etching gas.

次に、図16を参照して、炭化珪素基板10の第1の主面10aにおいて、ソース領域83およびコンタクト領域84の双方と接するように開口内にソース電極94が形成される。好ましくは、ソース電極94は、チタン(Ti)、アルミニウム(Al)およびニッケル(Ni)の少なくともいずれかを含む。好ましくは、ソース電極94は、TiAlSiを含む材料からなる。ソース電極94は、たとえばスパッタリング法により形成される。次に、炭化珪素基板10の第1の主面10aにおいて、ソース領域83およびコンタクト領域84の各々に接して設けられたソース電極94が形成された炭化珪素基板10に対して、たとえば900℃以上1100℃以下の熱処理が5分程度実施される。これにより、ソース電極94の少なくとも一部が、炭化珪素基板10が含む珪素と反応してシリサイド化して合金層を形成する。これにより、ソース領域83とオーミック接合する合金層を含むソース電極94が形成される。好ましくは、ソース電極94は、コンタクト領域84とオーミック接合する合金層を含む。   Next, referring to FIG. 16, source electrode 94 is formed in the opening so as to be in contact with both source region 83 and contact region 84 on first main surface 10 a of silicon carbide substrate 10. Preferably, the source electrode 94 includes at least one of titanium (Ti), aluminum (Al), and nickel (Ni). Preferably, the source electrode 94 is made of a material containing TiAlSi. The source electrode 94 is formed by, for example, a sputtering method. Next, with respect to silicon carbide substrate 10 on which source electrode 94 provided in contact with each of source region 83 and contact region 84 is formed on first main surface 10a of silicon carbide substrate 10, for example, 900 ° C. or higher. A heat treatment at 1100 ° C. or lower is performed for about 5 minutes. Thereby, at least a part of source electrode 94 reacts with silicon included in silicon carbide substrate 10 to be silicided to form an alloy layer. Thereby, a source electrode 94 including an alloy layer that is in ohmic contact with the source region 83 is formed. Preferably, source electrode 94 includes an alloy layer that is in ohmic contact with contact region 84.

次に、ソース電極94に接し、かつ層間絶縁膜93を覆うようにソース配線層95(図1)が形成される。ソース配線層95は、たとえばアルミニウム(Al)を含む材料からなり、たとえばAlSiCuである。ソース配線層95の形成後、ランプアニール工程が実施されてもよい。ランプアニール工程では、たとえば700℃以上800℃以下の温度下で、たとえば30秒間程度、ソース配線層95が形成された炭化珪素基板10が加熱される。   Next, a source wiring layer 95 (FIG. 1) is formed so as to be in contact with the source electrode 94 and cover the interlayer insulating film 93. Source wiring layer 95 is made of, for example, a material containing aluminum (Al), and is, for example, AlSiCu. After the formation of the source wiring layer 95, a lamp annealing process may be performed. In the lamp annealing step, silicon carbide substrate 10 on which source wiring layer 95 is formed is heated at a temperature of 700 ° C. or higher and 800 ° C. or lower, for example, for about 30 seconds.

(6)裏面電極形成工程
次に、裏面電極形成工程(S60:図4)が実施される。具体的には、炭化珪素基板10の第2の主面10bと接して、たとえばNiSiからなるドレイン電極98が形成される。ドレイン電極98は、たとえばTiAlSiであってもよい。ドレイン電極98の形成は、好ましくはスパッタリング法により実施されるが、蒸着により実施されても構わない。ドレイン電極98が形成された後、ドレイン電極98がたとえばレーザーアニールにより加熱される。これにより、ドレイン電極98の少なくとも一部がシリサイド化し、炭化珪素基板10とオーミック接合するドレイン電極98が形成される。以上により、図1に示すトレンチ型MOSFETが製造される。
(6) Back electrode formation process Next, a back electrode formation process (S60: Drawing 4) is carried out. Specifically, drain electrode 98 made of, for example, NiSi is formed in contact with second main surface 10b of silicon carbide substrate 10. The drain electrode 98 may be TiAlSi, for example. The formation of the drain electrode 98 is preferably performed by a sputtering method, but may be performed by vapor deposition. After the drain electrode 98 is formed, the drain electrode 98 is heated by, for example, laser annealing. Thereby, at least a part of drain electrode 98 is silicided, and drain electrode 98 that is in ohmic contact with silicon carbide substrate 10 is formed. Thus, the trench MOSFET shown in FIG. 1 is manufactured.

次に、実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置としてのトレンチ型MOSFETおよびその製造方法の作用効果について説明する。   Next, the effect of the trench MOSFET as the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment and the manufacturing method thereof will be described.

実施の形態1に係るトレンチ型MOSFETによれば、トレンチTRが形成された炭化珪素基板10を熱酸化することにより形成されるゲート絶縁膜91は、ドリフト領域81およびボディ領域82からなるトレンチTRの側面SW1において薄くされる一方で、ソース領域83からなるトレンチTRの側面SW2において厚くされる。すなわち、トレンチ型MOSFETのチャネル領域に接するゲート絶縁膜91の厚さを薄くしながら、トレンチTRの上部角部付近におけるゲート絶縁膜91の厚さを厚くすることができる。   According to the trench MOSFET according to the first embodiment, the gate insulating film 91 formed by thermally oxidizing the silicon carbide substrate 10 in which the trench TR is formed has the trench TR composed of the drift region 81 and the body region 82. While the thickness is reduced at the side surface SW1, the thickness is increased at the side surface SW2 of the trench TR formed of the source region 83. That is, it is possible to increase the thickness of the gate insulating film 91 in the vicinity of the upper corner portion of the trench TR while reducing the thickness of the gate insulating film 91 in contact with the channel region of the trench MOSFET.

上記のようにチャネル領域上に薄いゲート絶縁膜91が形成されることによって、チャネル領域における反転層の電子密度が高くなる。これにより、キャリア移動度が向上するため、トレンチ型MOSFETのチャネル抵抗を低減することができる。また、トレンチTRの上部角部の付近に厚いゲート絶縁膜91が形成されることによって、高電界が集中しやすい上部角部をゲート電極92から遠ざけることができる。これにより、トレンチTRの上部角部への電界集中が大きく緩和されるため、上部角部付近でのリーク電流の発生を抑制することができる。したがって、低いチャネル抵抗を実現しながら、ゲート絶縁膜の絶縁信頼性を確保することができる。   By forming the thin gate insulating film 91 on the channel region as described above, the electron density of the inversion layer in the channel region is increased. Thereby, since carrier mobility improves, the channel resistance of trench MOSFET can be reduced. In addition, since the thick gate insulating film 91 is formed in the vicinity of the upper corner portion of the trench TR, the upper corner portion where a high electric field tends to concentrate can be kept away from the gate electrode 92. Thereby, since the electric field concentration at the upper corner of trench TR is greatly relieved, the occurrence of leakage current in the vicinity of the upper corner can be suppressed. Therefore, the insulation reliability of the gate insulating film can be ensured while realizing a low channel resistance.

さらに実施の形態1に係るトレンチ型MOSFETによれば、トレンチTRの側面SW1は、(000−1)面(炭素面)に対して50度以上65度以下の角度で傾斜している。これにより、側面SW1におけるチャネル抵抗をより低減することができるため、オン抵抗をより低減することができる。   Furthermore, according to the trench MOSFET according to the first embodiment, side surface SW1 of trench TR is inclined at an angle of 50 degrees or more and 65 degrees or less with respect to the (000-1) plane (carbon plane). Thereby, since the channel resistance in the side surface SW1 can be further reduced, the on-resistance can be further reduced.

実施の形態1に係るトレンチ型MOSFETの製造方法によれば、ドリフト領域81およびボディ領域82からなり、(000−1)面(炭素面)に対して50度以上65度以下の角度で傾斜している側面SW1と、ソース領域83からなり、(000−1)面(炭素面)に対して50度よりも小さい角度で傾斜している側面SW2と、側壁面SWと連接し、かつドリフト領域81に位置する底部BTとを有するトレンチTRを形成することができる。これにより、トレンチTRが形成された炭化珪素基板10を熱酸化することにより形成されるゲート絶縁膜91は、熱酸化速度の面方位依存性に従って、トレンチTRの側面SW1において薄くされる一方で、トレンチTRの側面SW2において厚くされる。すなわち、トレンチ型MOSFETのチャネル領域に接するゲート絶縁膜91の厚さを薄くしながら、トレンチTRの上部角部付近に形成されるゲート絶縁膜91の厚さを厚くすることができる。これにより、低いチャネル抵抗を実現しながら、ゲート絶縁膜の絶縁信頼性を確保することができる。   The trench MOSFET manufacturing method according to the first embodiment includes the drift region 81 and the body region 82, and is inclined at an angle of 50 degrees to 65 degrees with respect to the (000-1) plane (carbon plane). Side surface SW1 and source region 83, side surface SW2 inclined at an angle smaller than 50 degrees with respect to (000-1) plane (carbon plane), side wall surface SW, and drift region A trench TR having a bottom BT located at 81 can be formed. Thereby, gate insulating film 91 formed by thermally oxidizing silicon carbide substrate 10 in which trench TR is formed is thinned on side surface SW1 of trench TR according to the surface orientation dependency of the thermal oxidation rate, The thickness is increased at the side surface SW2 of the trench TR. That is, the thickness of the gate insulating film 91 formed near the upper corner of the trench TR can be increased while reducing the thickness of the gate insulating film 91 in contact with the channel region of the trench MOSFET. Thereby, the insulation reliability of the gate insulating film can be ensured while realizing a low channel resistance.

さらに実施の形態1に係るトレンチ型MOSFETの製造方法によれば、エッチングマスク層100を、熱酸化膜110(第1の膜)と、熱酸化膜110上に設けられた熱酸化膜110よりも低密度の堆積酸化膜120(第2の膜)との二層構造とすることにより、熱エッチングを行なう際の堆積酸化膜120の収縮による応力を用いて熱酸化膜110を意図的に反らせることができる。この熱酸化膜110の反りによって熱酸化膜110と炭化珪素基板10の第1の主面10aとの間に形成される間隙GPを通じて熱エッチングが行なわれることにより、上述した側面SW1、側面SW2および底部BTを有するトレンチTRを容易に形成することができる。   Furthermore, according to the method for manufacturing a trench MOSFET according to the first embodiment, the etching mask layer 100 is formed more than the thermal oxide film 110 (first film) and the thermal oxide film 110 provided on the thermal oxide film 110. By having a two-layer structure with the low-density deposited oxide film 120 (second film), the thermal oxide film 110 is intentionally warped using stress due to shrinkage of the deposited oxide film 120 during thermal etching. Can do. Thermal etching is performed through the gap GP formed between thermal oxide film 110 and first main surface 10a of silicon carbide substrate 10 due to warpage of thermal oxide film 110, so that side surface SW1, side surface SW2 and Trench TR having bottom BT can be easily formed.

(実施の形態2)
次に、本発明の実施の形態2に係るトレンチ型MOSFETの製造方法について説明する。
(Embodiment 2)
Next, a method for manufacturing a trench MOSFET according to the second embodiment of the present invention will be described.

実施の形態2に係るトレンチ型MOSFETの製造方法は、トレンチ形成工程(S30:図4)において、熱エッチングを行なう前に、ドライエッチングによりトレンチTRが形成されるべき領域に凹部を形成する点において、実施の形態1に係る製造方法とは異なる。他の工程は、実施の形態1に係るトレンチ型MOSFETの製造方法と同様である。そのため、共通する工程についてはその説明を繰返さない。   The trench MOSFET manufacturing method according to the second embodiment is such that, in the trench formation step (S30: FIG. 4), before performing thermal etching, a recess is formed in a region where trench TR is to be formed by dry etching. This is different from the manufacturing method according to the first embodiment. Other steps are the same as those in the method for manufacturing the trench MOSFET according to the first embodiment. Therefore, the description of common steps will not be repeated.

実施の形態1で説明したエッチングマスク層形成工程(S20:図4)が実施されることによりエッチングマスク層100が形成された後、トレンチ形成工程(S30:図4)が実施される。   After the etching mask layer forming step (S20: FIG. 4) described in the first embodiment is performed to form the etching mask layer 100, the trench forming step (S30: FIG. 4) is performed.

図17を参照して、エッチングマスク層100の開口部OPにおいて、ソース領域83と、ボディ領域82と、ドリフト領域81の一部とがエッチングにより除去によりされる。エッチングの方法としては、たとえば反応性イオンエッチンング、特に誘導結合プラズマ反応性エッチング(ICP−RIE)を用いることができる。具体的には、たとえば反応ガスとして、SFまたはSFおよびOの混合ガスを用いたICP−RIEを用いることができる。このようなエッチングにより、トレンチTRが形成されるべき領域に、第1の主面10aに対してほぼ垂直な側壁面SWと、側壁面SWと連接し、かつ第1の主面10aとほぼ平行な底部BTとを有する凹部TQが形成される。 Referring to FIG. 17, in the opening OP of the etching mask layer 100, the source region 83, the body region 82, and a part of the drift region 81 are removed by etching. As an etching method, for example, reactive ion etching, particularly inductively coupled plasma reactive etching (ICP-RIE) can be used. Specifically, for example, ICP-RIE using SF 6 or a mixed gas of SF 6 and O 2 can be used as a reaction gas. By such etching, in the region where the trench TR is to be formed, the side wall surface SW substantially perpendicular to the first main surface 10a, the side wall surface SW is connected, and the first main surface 10a is substantially parallel. A concave portion TQ having a bottom portion BT is formed.

次に、凹部TQに対して熱エッチングが行なわれる。熱エッチングは、実施の形態1で説明したのと同様に、少なくとも1種類のハロゲン原子を有する反応性ガスを含む雰囲気中での加熱によって行なわれる。具体的には、図18に示すように、凹部TQの内面がエッチングされる。さらにエッチング中、熱処理によって堆積酸化膜120が収縮するため、堆積酸化膜120下の熱酸化膜110に圧縮応力がかかる。この圧縮応力を受けて熱酸化膜110が炭化珪素基板10側に凸状に反ることにより、熱酸化膜110の開口部を取り囲む縁部と、炭化珪素基板10の第1の主面10aとの間に間隙が形成される。その結果、開口部OPを通じて、トレンチTRの側面SW1および底部BTが形成されるべき領域がエッチングされるとともに、間隙を通じて、トレンチTRの上部角部の付近に位置する第1の主面10aがエッチングされる。このとき、(000−1)面(炭素面)は炭化珪素の結晶面の中で最もエッチング速度が速いため、実質的に、間隙におけるサイドエッチングが促進される。   Next, thermal etching is performed on the recess TQ. The thermal etching is performed by heating in an atmosphere containing a reactive gas having at least one kind of halogen atom, as described in the first embodiment. Specifically, as shown in FIG. 18, the inner surface of the recess TQ is etched. Further, during etching, the deposited oxide film 120 contracts due to the heat treatment, so that a compressive stress is applied to the thermal oxide film 110 under the deposited oxide film 120. Due to this compressive stress, thermal oxide film 110 warps in a convex shape toward silicon carbide substrate 10, whereby an edge that surrounds the opening of thermal oxide film 110, first main surface 10 a of silicon carbide substrate 10, and A gap is formed between the two. As a result, the region where side surface SW1 and bottom portion BT of trench TR should be formed is etched through opening OP, and first main surface 10a located near the upper corner of trench TR is etched through the gap. Is done. At this time, since the (000-1) plane (carbon plane) has the fastest etching rate among the crystal planes of silicon carbide, side etching in the gap is substantially promoted.

この結果、図18に示すように、炭化珪素基板10の第1の主面10aにトレンチTRが形成される。トレンチTRは、ソース領域83およびボディ領域82を貫通してドリフト領域81に至る側壁面SWと、側壁面SWと連接し、かつドリフト領域81に位置する底部BTとを有する。側壁面SWは、ドリフト領域81およびボディ領域82からなり、(000−1)面(炭素面)に対してほぼ垂直な側面SW1と、ソース領域83からなり、(000−1)面(炭素面)に対して50度よりも小さい角度で傾斜している側面SW2とを有する。   As a result, trench TR is formed in first main surface 10a of silicon carbide substrate 10 as shown in FIG. Trench TR has side wall surface SW passing through source region 83 and body region 82 to drift region 81, and bottom portion BT connected to side wall surface SW and located in drift region 81. Side wall surface SW includes drift region 81 and body region 82, and includes side surface SW1 substantially perpendicular to (000-1) plane (carbon plane) and source region 83, and includes (000-1) plane (carbon plane). ) And a side surface SW2 inclined at an angle smaller than 50 degrees.

次に、実施の形態1で説明したゲート絶縁膜形成工程(S40:図4)が実施されることにより、図19に示すように、トレンチTRの側壁面SWおよび底部BTと、炭化珪素基板10の第1の主面10aとを覆うように二酸化珪素からなるゲート絶縁膜91が、熱酸化により形成される。ゲート絶縁膜91の厚みについては、側面SW1を覆う側面部の厚さをd1とし、側面SW2を覆う側面部の厚さをd2とし、第1の主面10aを覆う平坦部の厚さをd3とすると、d3>d2>d1が満たされている。   Next, by performing the gate insulating film forming step (S40: FIG. 4) described in the first embodiment, as shown in FIG. 19, side wall surface SW and bottom portion BT of trench TR, silicon carbide substrate 10 A gate insulating film 91 made of silicon dioxide is formed by thermal oxidation so as to cover the first main surface 10a. Regarding the thickness of the gate insulating film 91, the thickness of the side surface portion covering the side surface SW1 is d1, the thickness of the side surface portion covering the side surface SW2 is d2, and the thickness of the flat portion covering the first main surface 10a is d3. Then, d3> d2> d1 is satisfied.

次に、実施の形態1で説明した表面電極形成工程(S50:図4)および裏面電極形成工程(S60:図4)が実施される。以上により、図20に示すトレンチ型MOSFETが製造される。   Next, the front surface electrode forming step (S50: FIG. 4) and the back surface electrode forming step (S60: FIG. 4) described in the first embodiment are performed. As described above, the trench MOSFET shown in FIG. 20 is manufactured.

実施の形態2に係るトレンチ型MOSFETの製造方法において、ドライエッチング後に行なわれる熱エッチングは、間隙の形成、および間隙におけるサイドエッチングを主な目的とするため、実施の形態1における熱エッチングに比べて処理時間を短くする。実施の形態2では、短い熱処理時間内で効果的に間隙が形成されるように、実施の形態1と比較して、たとえば堆積酸化膜120の厚みを増やす、または堆積酸化膜120の成膜温度を下げることにより、堆積酸化膜120の体積収縮量を増加して圧縮応力を強めることができる。あるいは、実施の形態1と比較して、熱酸化膜110の厚みを薄くすることにより、応力による熱酸化膜110の反りを生じやすくすることができる。   In the method for manufacturing a trench MOSFET according to the second embodiment, the thermal etching performed after dry etching is mainly aimed at the formation of a gap and the side etching in the gap, and therefore, compared with the thermal etching in the first embodiment. Reduce processing time. In the second embodiment, for example, the thickness of the deposited oxide film 120 is increased or the deposition temperature of the deposited oxide film 120 is increased as compared with the first embodiment so that the gap is effectively formed within a short heat treatment time. By lowering, the volume shrinkage of the deposited oxide film 120 can be increased and the compressive stress can be increased. Alternatively, the thermal oxide film 110 can be easily warped by stress by reducing the thickness of the thermal oxide film 110 as compared with the first embodiment.

次に、実施の形態2に係る炭化珪素半導体装置としてのトレンチ型MOSFET1およびその製造方法の作用効果について説明する。   Next, the effect of trench type MOSFET 1 as a silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment and the method for manufacturing the same will be described.

実施の形態2に係るトレンチ型MOSFETによれば、トレンチTRが形成された炭化珪素基板10を熱酸化することにより形成されるゲート絶縁膜91は、ドリフト領域81およびボディ領域82からなるトレンチTRの側面SW1において薄くされる一方で、ソース領域83からなるトレンチTRの側面SW2において厚くされる。すなわち、トレンチ型MOSFETのチャネル領域に接するゲート絶縁膜91の厚さを薄くしながら、トレンチTRの上部角部付近におけるゲート絶縁膜91の厚さを厚くすることができる。これにより、キャリア移動度を向上させてトレンチ型MOSFETのチャネル抵抗を低減することができるとともに、トレンチTRの上部角部への電界集中を緩和して上部角部付近でのリーク電流の発生を抑制することができる。すなわち、低いチャネル抵抗を実現しながら、ゲート絶縁膜の絶縁信頼性を確保することができる。   According to the trench MOSFET according to the second embodiment, the gate insulating film 91 formed by thermally oxidizing the silicon carbide substrate 10 in which the trench TR is formed has the trench TR composed of the drift region 81 and the body region 82. While the thickness is reduced at the side surface SW1, the thickness is increased at the side surface SW2 of the trench TR formed of the source region 83. That is, it is possible to increase the thickness of the gate insulating film 91 in the vicinity of the upper corner portion of the trench TR while reducing the thickness of the gate insulating film 91 in contact with the channel region of the trench MOSFET. As a result, the carrier mobility can be improved and the channel resistance of the trench MOSFET can be reduced, and the concentration of the electric field at the upper corner of the trench TR can be reduced to suppress the occurrence of a leak current near the upper corner. can do. That is, the insulation reliability of the gate insulating film can be ensured while realizing a low channel resistance.

実施の形態2に係るトレンチ型MOSFETの製造方法によれば、ドリフト領域81およびボディ領域82からなり、(000−1)面(炭素面)に対して50度以上の角度(ほぼ垂直)で傾斜している側面SW1と、ソース領域83からなり、(000−1)面(炭素面)に対して50度よりも小さい角度で傾斜している側面SW2と、側壁面SWと連接し、かつドリフト領域81に位置する底部BTとを有するトレンチTRを形成することができる。トレンチTRが形成された炭化珪素基板10を熱酸化することにより形成されるゲート絶縁膜91は、熱酸化速度の面方位依存性に従って、トレンチTRの側面SW1において薄くされる一方で、トレンチTRの側面SW2において厚くされる。すなわち、トレンチ型MOSFETのチャネル領域に接するゲート絶縁膜91の厚さを薄くしながら、トレンチTRの開口部の近傍におけるゲート絶縁膜91の厚さを厚くすることができる。これにより、低いチャネル抵抗を実現しながら、ゲート絶縁膜の絶縁信頼性を確保することができる。   The trench MOSFET manufacturing method according to the second embodiment includes the drift region 81 and the body region 82, and is inclined at an angle of 50 degrees or more (substantially perpendicular) to the (000-1) plane (carbon plane). The side surface SW1 is formed of the source region 83, is inclined with respect to the (000-1) plane (carbon plane) at an angle smaller than 50 degrees, is connected to the side wall surface SW, and drifts. Trench TR having bottom portion BT located in region 81 can be formed. Gate insulating film 91 formed by thermally oxidizing silicon carbide substrate 10 in which trench TR is formed is thinned on side surface SW1 of trench TR according to the surface orientation dependency of the thermal oxidation rate, while It is thickened at the side surface SW2. That is, the thickness of the gate insulating film 91 in the vicinity of the opening of the trench TR can be increased while reducing the thickness of the gate insulating film 91 in contact with the channel region of the trench MOSFET. Thereby, the insulation reliability of the gate insulating film can be ensured while realizing a low channel resistance.

さらに実施の形態2に係るトレンチ型MOSFETの製造方法によれば、エッチングマスク層100を、熱酸化膜110と、熱酸化膜110上に設けられた熱酸化膜110よりも低密度の堆積酸化膜120との二層構造とすることにより、ドライエッチング後に熱エッチングを行なうことにより、堆積酸化膜120の収縮による圧縮応力を用いて熱酸化膜110を意図的に反らせることができる。この熱酸化膜110の反りによって熱酸化膜110と炭化珪素基板10の第1の主面10aとの間に形成される間隙を通じて熱エッチングが行なわれることにより、上述した側面SW1、側面SW2および底部BTを有するトレンチTRを容易に形成することができる。   Furthermore, according to the method for manufacturing a trench MOSFET according to the second embodiment, the etching mask layer 100 is formed by using the thermal oxide film 110 and a deposited oxide film having a lower density than the thermal oxide film 110 provided on the thermal oxide film 110. By using the two-layer structure with 120, the thermal oxide film 110 can be intentionally warped using the compressive stress due to the shrinkage of the deposited oxide film 120 by performing the thermal etching after the dry etching. By performing thermal etching through a gap formed between thermal oxide film 110 and first main surface 10a of silicon carbide substrate 10 due to warpage of thermal oxide film 110, side surface SW1, side surface SW2, and bottom portion described above are performed. The trench TR having the BT can be easily formed.

なお上記の実施の形態1および2においては第1の導電型がn型であり第2の導電型がp型であるが、これらの導電型が入れ替えられもよい。ただしチャネル移動度を高くするためには、第1の導電型がn型であることが好ましい。   In the first and second embodiments, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. However, these conductivity types may be interchanged. However, in order to increase channel mobility, the first conductivity type is preferably n-type.

また第1および第2の膜は、第2の膜が第1の膜よりも低密度を有していればよく、熱酸化膜および堆積酸化膜にそれぞれ限定されるものではない。   The first and second films are not limited to the thermal oxide film and the deposited oxide film, as long as the second film has a lower density than the first film.

また炭化珪素半導体装置はMOSFET以外のMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)であってもよい。また炭化珪素半導体装置は、MISFETに限定されるものではなく、トレンチゲート構造を有するものであればよく、たとえばトレンチ型IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であってもよい。   The silicon carbide semiconductor device may be a MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor) other than the MOSFET. Further, the silicon carbide semiconductor device is not limited to the MISFET, and may be any device having a trench gate structure, for example, a trench IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).

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 is to 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 meanings equivalent to the scope of claims and all modifications within the scope.

10 炭化珪素基板
81 ドリフト領域
82 ボディ領域
83 ソース領域
84 コンタクト領域
91 ゲート絶縁膜
92 ゲート電極
93 層間絶縁膜
94 ソース電極
95 ソース配線層
98 ドレイン電極
100 エッチングマスク層
110 熱酸化膜
120 堆積酸化膜
TR トレンチ
SW 側壁面
SW1,SW2 側面
BT 底部
10 Silicon carbide substrate 81 Drift region 82 Body region 83 Source region 84 Contact region 91 Gate insulating film 92 Gate electrode 93 Interlayer insulating film 94 Source electrode 95 Source wiring layer 98 Drain electrode 100 Etching mask layer 110 Thermal oxide film 120 Deposited oxide film TR Trench SW Side wall surface SW1, SW2 Side surface BT Bottom

Claims (9)

炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
炭素面または前記炭素面から8度以下オフした面である第1の主面と、前記第1の主面と反対側の第2の主面とを有する炭化珪素基板を準備する工程を備え、
前記炭化珪素基板は、前記第2の主面を形成し、かつ第1の導電型を有する第1の不純物領域と、前記第1の不純物領域上に設けられ、第2の導電型を有する第2の不純物領域と、前記第2の不純物領域上に前記第1の不純物領域から隔てられるように設けられ、前記第1の主面を形成し、かつ前記第1の導電型を有する第3の不純物領域とを含み、
前記炭化珪素基板の前記第1の主面上に、開口部を有するマスク層を形成する工程と、
前記マスク層の前記開口部を通じて、前記第3の不純物領域と、前記第2の不純物領域と、前記第1の不純物領域の一部とをエッチングにより除去することにより、前記炭化珪素基板の前記第1の主面にトレンチを形成する工程と、
前記マスク層を除去した後、熱酸化により、前記トレンチおよび前記炭化珪素基板の前記第1の主面を覆うゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程とをさらに備え、
前記マスク層を形成する工程は、
前記第1の主面上を覆う第1の膜を形成する工程と、
前記第1の膜上に、前記第1の膜よりも低密度の第2の膜を形成する工程と、
前記トレンチが形成される位置に対応した前記開口部を有するように、前記第1および第2の膜をパターニングする工程とを含み、
前記トレンチを形成する工程は、前記炭化珪素基板を加熱しながら、前記開口部にて露出する前記炭化珪素基板の前記第1の主面に化学エッチングを施す工程を含み、
前記化学エッチングを施す工程では、前記第2の膜が熱収縮することで前記第1の膜に加わる応力によって、前記第1の膜の前記開口部を取り囲む縁部と前記炭化珪素基板の前記第1の主面との間に間隙が形成され、前記開口部および前記間隙にて露出する前記炭化珪素基板の前記第1の主面がエッチングにより除去される、炭化珪素半導体装置の製造方法。
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, comprising:
Providing a silicon carbide substrate having a carbon surface or a first main surface that is off from the carbon surface by 8 degrees or less, and a second main surface opposite to the first main surface;
The silicon carbide substrate includes a first impurity region that forms the second main surface and has a first conductivity type, and is provided on the first impurity region and has a second conductivity type. A second impurity region and a third impurity region provided on the second impurity region so as to be separated from the first impurity region, forming the first main surface, and having the first conductivity type An impurity region,
Forming a mask layer having an opening on the first main surface of the silicon carbide substrate;
The third impurity region, the second impurity region, and a part of the first impurity region are removed by etching through the opening of the mask layer, whereby the first impurity region of the silicon carbide substrate is removed. Forming a trench in the main surface of 1;
Forming a gate insulating film covering the trench and the first main surface of the silicon carbide substrate by thermal oxidation after removing the mask layer;
Forming a gate electrode on the gate insulating film,
The step of forming the mask layer includes:
Forming a first film covering the first main surface;
Forming a second film having a lower density than the first film on the first film;
Patterning the first and second films so as to have the opening corresponding to the position where the trench is formed,
The step of forming the trench includes the step of performing chemical etching on the first main surface of the silicon carbide substrate exposed at the opening while heating the silicon carbide substrate,
In the step of performing the chemical etching, an edge surrounding the opening of the first film and the first of the silicon carbide substrate due to stress applied to the first film due to thermal contraction of the second film. A method of manufacturing a silicon carbide semiconductor device, wherein a gap is formed between the first main surface and the first main surface of the silicon carbide substrate exposed in the opening and the gap is removed by etching.
前記トレンチの側壁面は、
前記第1および第2の不純物領域からなり、前記炭素面に対して50度以上の角度で傾斜している第1の側面と、
前記第3の不純物領域からなり、前記炭素面に対して50度よりも小さい角度で傾斜している第2の側面とを有する、請求項1に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
The side wall surface of the trench is
A first side surface comprising the first and second impurity regions and inclined at an angle of 50 degrees or more with respect to the carbon surface;
2. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, further comprising: a second side surface made of the third impurity region and inclined at an angle smaller than 50 degrees with respect to the carbon surface.
前記第1の側面は、前記炭素面に対して50度以上65度以下傾斜している、請求項2に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。   3. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 2, wherein said first side surface is inclined by 50 degrees or more and 65 degrees or less with respect to said carbon surface. 前記第1の側面は、面方位{0−33−8}を有する面を含む、請求項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 3, wherein said first side surface includes a surface having a plane orientation {0-33-8}. 前記化学エッチングを施す工程では、少なくとも1種類以上のハロゲン原子を有する反応性ガスを含む雰囲気中で前記炭化珪素基板を加熱する、請求項1から請求項4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。   5. The silicon carbide according to claim 1, wherein in the chemical etching step, the silicon carbide substrate is heated in an atmosphere containing a reactive gas having at least one or more types of halogen atoms. A method for manufacturing a semiconductor device. 前記第1の膜を形成する工程では、熱酸化により酸化膜を形成する、請求項1から請求項5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 an oxide film is formed by thermal oxidation in the step of forming the first film. 前記第2の膜を形成する工程では、堆積により酸化膜を形成する、請求項1から請求項6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, in the step of forming the second film, an oxide film is formed by deposition. 前記第1および第2の膜をパターニングする工程は、前記第1および第2の膜の一部をエッチングにより除去して前記開口部を形成するとともに、前記開口部にて露出する前記炭化珪素基板の前記第1の主面の一部をエッチングにより除去する工程を含む、請求項1から請求項7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 step of patterning the first and second films includes removing the portions of the first and second films by etching to form the opening and the silicon carbide substrate exposed at the opening. The manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device of any one of Claims 1-7 including the process of removing a part of said 1st main surface of this by an etching. 前記トレンチを形成する工程は、前記化学エッチングを施す工程の前に、前記開口部にて露出する前記炭化珪素基板の前記第1の主面にドライエッチングを施す工程をさらに含む、請求項1から請求項8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 step of forming the trench further includes a step of performing dry etching on the first main surface of the silicon carbide substrate exposed at the opening before the step of performing chemical etching. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 8.
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