JP7670277B2 - Silicon carbide semiconductor device and 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および炭化珪素半導体装置の製造方法に関する。 This invention relates to a silicon carbide semiconductor device and a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device.
従来、炭化珪素(SiC)を半導体材料として用いたトレンチゲート構造の縦型MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:金属-酸化膜-半導体の3層構造からなる絶縁ゲートを備えたMOS型電界効果トランジスタ)では、トレンチの形成時か、またはトレンチの形成後でゲート絶縁膜の形成前までに行う諸処理によって、トレンチの内壁にダメージ層、余剰カーボン(C)析出層およびドーパントの析出層などが生じることが知られている。 Conventionally, in vertical MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) with a trench gate structure that uses silicon carbide (SiC) as the semiconductor material, it is known that various processes carried out during trench formation or after trench formation and before the formation of the gate insulating film can cause damage layers, excess carbon (C) precipitate layers, and dopant precipitate layers to form on the inner walls of the trench.
例えば、炭化珪素からなる半導体基板には、高密度プラズマによる異方性エッチングによりトレンチを形成するが、プラズマから生成されたイオンやラジカルの衝突により、トレンチの内壁にダメージ層が形成される。トレンチの内壁のダメージ層を除去するためにトレンチの内壁を犠牲酸化する場合、トレンチの内壁を犠牲酸化して酸化シリコン(SiO2)膜が形成されることで、トレンチの内壁の表面領域(炭化珪素部)から余剰カーボンが脱離してトレンチの内壁に析出され、余剰カーボン析出層が形成される。 For example, in a semiconductor substrate made of silicon carbide, a trench is formed by anisotropic etching using high-density plasma, but a damaged layer is formed on the inner wall of the trench due to collisions of ions and radicals generated from the plasma. When the inner wall of the trench is sacrificially oxidized to remove the damaged layer on the inner wall of the trench, a silicon oxide (SiO 2 ) film is formed by sacrificially oxidizing the inner wall of the trench, and excess carbon is desorbed from the surface region (silicon carbide portion) of the inner wall of the trench and precipitated on the inner wall of the trench, forming an excess carbon precipitate layer.
トレンチのコーナー部(角部)を丸めるための高温度アニール(熱処理)を行う場合、トレンチの内壁表面にドーパントが再析出されて高不純物濃度のドーパントの析出層が形成される。これらトレンチの内壁のダメージ層、余剰カーボン析出層およびドーパントの析出層は、トレンチの内壁を四フッ化炭素(CF4)および酸素(O2)を含むガスを用いたケミカルドライエッチング(CDE:Chemical Dry Etching)またはプラズマエッチング(PE:Plasma Etching)することで除去される。 When high-temperature annealing (heat treatment) is performed to round the corners of the trench, the dopant is redeposited on the inner wall surface of the trench, forming a highly-doped dopant precipitate layer. The damaged layer, excess carbon precipitate layer, and dopant precipitate layer on the inner wall of the trench are removed by subjecting the inner wall of the trench to chemical dry etching (CDE) or plasma etching (PE) using a gas containing carbon tetrafluoride (CF 4 ) and oxygen (O 2 ).
従来の炭化珪素半導体装置の製造方法について、MOSFETを例に説明する。図7は、従来の炭化珪素半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。従来の炭化珪素半導体装置のMOSゲートを形成するにあたって、まず、フォトリソグラフィおよびエッチング(以下、トレンチエッチングとする)により、半導体基板のおもて面から所定深さに達するトレンチを形成する(ステップS101)。このトレンチエッチングは、例えば、高密度プラズマによる異方性エッチングである。 A conventional method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device will be described using a MOSFET as an example. FIG. 7 is a flowchart showing an outline of the conventional method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device. To form a MOS gate for a conventional silicon carbide semiconductor device, first, a trench is formed from the front surface of a semiconductor substrate to a predetermined depth by photolithography and etching (hereinafter referred to as trench etching) (step S101). This trench etching is, for example, anisotropic etching using high-density plasma.
半導体基板は、炭化珪素を半導体材料として用いたn+型出発基板のおもて面上に、n-型ドリフト領域およびp型ベース領域となる各エピタキシャル層が順に積層されてなる。半導体基板の、p型ベース領域となるp型エピタキシャル層側の主面をおもて面とし、n+型出発基板側の主面を裏面とする。ステップS101の処理において、トレンチは、半導体基板のおもて面から、p型エピタキシャル層内に形成されたn+型ソース領域およびp型ベース領域を貫通してn-型ドリフト領域に達する。 The semiconductor substrate is formed by sequentially stacking epitaxial layers that become the n - type drift region and the p-type base region on the front surface of an n + type starting substrate using silicon carbide as a semiconductor material. The main surface of the semiconductor substrate that faces the p-type epitaxial layer that becomes the p-type base region is referred to as the front surface, and the main surface of the semiconductor substrate that faces the n + type starting substrate is referred to as the back surface. In the process of step S101, the trench extends from the front surface of the semiconductor substrate through the n + type source region and the p-type base region formed in the p-type epitaxial layer to reach the n - type drift region.
トレンチの内壁には、トレンチエッチングによるダメージ層が形成される。また、トレンチエッチングにおいて、n-型ドリフト領域とp型ベース領域との第1境界付近、および、p型ベース領域とn+型ソース領域との第2境界付近のエッチングレートは、エピタキシャル層の第1,第2境界間の部分のエッチングレートよりも遅い。エピタキシャル層のエッチングレートの遅い部分はトレンチの側壁上に突起として残る。このため、トレンチ7の側壁において突起による段差が形成される。
A damaged layer is formed on the inner wall of the trench due to trench etching. In addition, in the trench etching, the etching rate near the first boundary between the n- type drift region and the p-type base region and near the second boundary between the p-type base region and the n + type source region is slower than the etching rate of the portion of the epitaxial layer between the first and second boundaries. The portion of the epitaxial layer with the slow etching rate remains as a protrusion on the side wall of the trench. As a result, a step is formed on the side wall of the
次に、プラズマエッチングまたは高温度(例えば1500℃以上)アニールにより、トレンチのコーナー部を丸める(ステップS102)。ステップS102の処理により、トレンチの内壁のエッチングと、トレンチの内壁の珪素(Si)および炭素(C)の表面拡散と、が同時に起こり、トレンチのコーナー部が丸まる。また、ステップS102の処理を高温度アニールで行う場合、上述したようにトレンチの内壁に高不純物濃度のドーパントの析出層が形成される。 Next, the corners of the trench are rounded by plasma etching or high-temperature (e.g., 1500°C or higher) annealing (step S102). The process of step S102 simultaneously etches the inner wall of the trench and causes surface diffusion of silicon (Si) and carbon (C) on the inner wall of the trench, rounding the corners of the trench. Furthermore, if the process of step S102 is performed by high-temperature annealing, a precipitate layer of dopant with a high impurity concentration is formed on the inner wall of the trench, as described above.
次に、トレンチの内壁を犠牲酸化して犠牲酸化膜を形成し(ステップS103)、当該犠牲酸化膜を除去することで、トレンチの内壁に生じたダメージ層やドーパントの析出層を除去する。ステップS103の犠牲酸化により、上述したようにトレンチの内壁に余剰カーボン析出層が形成される。ステップS103の処理は省略可能である。次に、CF4およびO2を含むガスを用いて、トレンチの内壁をケミカルドライエッチングまたはプラズマエッチングする(ステップS104)。 Next, the inner wall of the trench is sacrificially oxidized to form a sacrificial oxide film (step S103), and the sacrificial oxide film is removed to remove the damaged layer and the dopant precipitate layer generated on the inner wall of the trench. As described above, the sacrificial oxidation in step S103 forms an excess carbon precipitate layer on the inner wall of the trench. The process in step S103 can be omitted. Next, the inner wall of the trench is chemically dry etched or plasma etched using a gas containing CF4 and O2 (step S104).
ステップS104の処理により、トレンチの内壁の余剰カーボン析出層が除去される。ステップS103の処理を省略した場合、ステップS104の処理により、トレンチの内壁のダメージ層およびドーパントの析出層が除去される。次に、トレンチの内壁に沿ってゲート絶縁膜を堆積した後(ステップS105)、トレンチの内部にゲート電極を形成する(ステップS106)。そして、図示省略するMOSゲート以外の各部を一般的な方法により所定のタイミングで形成することで、従来の炭化珪素半導体装置が完成する。 The process of step S104 removes the excess carbon precipitate layer on the inner wall of the trench. If the process of step S103 is omitted, the process of step S104 removes the damage layer and dopant precipitate layer on the inner wall of the trench. Next, a gate insulating film is deposited along the inner wall of the trench (step S105), and then a gate electrode is formed inside the trench (step S106). Then, each part other than the MOS gate (not shown) is formed at a predetermined timing using a general method to complete a conventional silicon carbide semiconductor device.
従来の炭化珪素半導体装置の製造方法として、トレンチの形成後、トレンチの内壁を犠牲酸化することなくそのまま、もしくは、CF4およびO2を含むガスを用いたケミカルドライエッチングによりトレンチの内壁のダメージ層を除去した後に、ゲート絶縁膜を堆積する方法が提案されている(例えば、下記特許文献1参照。)。下記特許文献1では、トレンチの内壁を犠牲酸化しないことで、p型ベース領域よりも不純物濃度の高いn+型ソース領域が露出された部分でトレンチ内壁が増速酸化されることを防止している。
As a conventional method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, a method has been proposed in which, after forming a trench, the inner wall of the trench is deposited without sacrificially oxidizing the inner wall of the trench, or after removing a damaged layer on the inner wall of the trench by chemical dry etching using a gas containing CF4 and O2 (see, for example,
しかしながら、CF4およびO2を含むガスを用いたエッチングでは、トレンチの内壁が薄く酸化されてトレンチの内壁に余剰カーボン析出層が再形成されたり、フッ素を含むカーボン系ポリマー(重合体)が生成されてトレンチの内壁に付着されるなど、新たな問題が生じる。トレンチの内壁に形成された余剰カーボン析出層は、チャネル移動度を低下させて、オン抵抗を高くする原因となる。トレンチの内壁に形成されたフッ素を含むカーボン系ポリマーは、ゲート絶縁膜の信頼性を低下させる原因となる。 However, when etching is performed using a gas containing CF4 and O2 , new problems arise, such as the inner wall of the trench being thinly oxidized and an excess carbon precipitate layer being formed on the inner wall of the trench, or a carbon-based polymer containing fluorine being generated and attached to the inner wall of the trench. The excess carbon precipitate layer formed on the inner wall of the trench reduces the channel mobility and increases the on-resistance. The carbon-based polymer containing fluorine formed on the inner wall of the trench reduces the reliability of the gate insulating film.
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、チャネル移動度の低下を防止することができるとともに、ゲート絶縁膜の信頼性の低下を防止することができる炭化珪素半導体装置および炭化珪素半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a silicon carbide semiconductor device and a method for manufacturing the same that can prevent a decrease in channel mobility and a decrease in the reliability of the gate insulating film in order to solve the problems associated with the conventional technology described above.
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる炭化珪素半導体装置は、次の特徴を有する。炭化珪素からなる半導体基板の内部に、第1導電型の第1半導体領域が設けられている。前記半導体基板の第1主面と前記第1半導体領域との間に、第2導電型の第2半導体領域が設けられている。前記半導体基板の第1主面と前記第2半導体領域との間に、第1導電型の第3半導体領域が選択的に設けられている。 In order to solve the above problems and achieve the object of the present invention, the silicon carbide semiconductor device according to the present invention has the following features. A first semiconductor region of a first conductivity type is provided inside a semiconductor substrate made of silicon carbide. A second semiconductor region of a second conductivity type is provided between a first main surface of the semiconductor substrate and the first semiconductor region. A third semiconductor region of a first conductivity type is selectively provided between the first main surface of the semiconductor substrate and the second semiconductor region.
トレンチは、前記第3半導体領域および前記第2半導体領域を貫通して前記第1半導体領域に達する。ゲート絶縁膜は、前記トレンチの内壁に沿って設けられている。ゲート電極は、前記トレンチの内部において前記ゲート絶縁膜の上に設けられている。第1電極は、前記第3半導体領域および前記第2半導体領域に電気的に接続されている。第2電極は、前記半導体基板の第2主面に設けられている。前記トレンチの側壁において異なる導電型の領域の界面で突起高さが3nm以下である。 The trench penetrates the third semiconductor region and the second semiconductor region to reach the first semiconductor region. A gate insulating film is provided along the inner wall of the trench. A gate electrode is provided inside the trench on the gate insulating film. A first electrode is electrically connected to the third semiconductor region and the second semiconductor region. A second electrode is provided on the second main surface of the semiconductor substrate. A protrusion height at the interface between the regions of different conductivity types on the sidewall of the trench is 3 nm or less.
また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、次の特徴を有する。炭化珪素からなる第1導電型の出発基板の上に、前記出発基板よりも不純物濃度の低い第1導電型の第1半導体領域となる第1導電型炭化珪素層を形成する第1工程を行う。前記第1導電型炭化珪素層の上に、第2導電型の第2半導体領域となる第2導電型炭化珪素層を形成する第2工程を行う。前記第2導電型炭化珪素層の表面領域に、第1導電型の第3半導体領域を選択的に形成する第3工程を行う。第1エッチングにより、前記第3半導体領域および前記第2導電型炭化珪素層を貫通して前記第1導電型炭化珪素層に達するトレンチを形成する第4工程を行う。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object of the present invention, the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention has the following features. A first step is performed to form a first conductivity type silicon carbide layer on a first conductivity type starting substrate made of silicon carbide, the first conductivity type being a first semiconductor region having a lower impurity concentration than the starting substrate. A second step is performed to form a second conductivity type silicon carbide layer on the first conductivity type silicon carbide layer, the second conductivity type being a second semiconductor region. A third step is performed to selectively form a first conductivity type third semiconductor region in a surface region of the second conductivity type silicon carbide layer. A fourth step is performed to form a trench penetrating the third semiconductor region and the second conductivity type silicon carbide layer to reach the first conductivity type silicon carbide layer by first etching.
熱処理により前記トレンチのコーナー部を丸める第5工程を行う。前記第5工程の後、プラズマ雰囲気において前記トレンチの内壁を第2エッチングする第6工程を行う。前記第6工程の後、前記トレンチの内壁に沿ってゲート絶縁膜を堆積する第7工程を行う。前記トレンチの内部において前記ゲート絶縁膜の上にゲート電極を形成する第8工程を行う。前記第2エッチングのエッチングガスは、炭素を含む付着物を前記トレンチの内壁に付着させる第1元素と、前記トレンチの内壁を酸化させる第2元素と、を含まない。 A fifth step is performed in which the corners of the trench are rounded by heat treatment. After the fifth step, a sixth step is performed in which the inner wall of the trench is second-etched in a plasma atmosphere. After the sixth step, a seventh step is performed in which a gate insulating film is deposited along the inner wall of the trench. An eighth step is performed in which a gate electrode is formed on the gate insulating film inside the trench. The etching gas for the second etching does not include a first element that causes a carbon-containing deposit to adhere to the inner wall of the trench, and a second element that oxidizes the inner wall of the trench.
また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第1元素は炭素であることを特徴とする。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the first element is carbon.
また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第2元素は酸素であることを特徴とする。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the second element is oxygen.
また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第2エッチングのエッチングガスは、三フッ化窒素ガスであることを特徴とする。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention is characterized in that the etching gas for the second etching is nitrogen trifluoride gas.
また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第2エッチングのエッチングガスは、三フッ化塩素ガスであることを特徴とする。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the etching gas for the second etching is chlorine trifluoride gas.
また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第2エッチングは、ケミカルドライエッチングであることを特徴とする。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the second etching is chemical dry etching.
また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第2エッチングのエッチング量は、前記トレンチの側壁から前記トレンチの側壁と直交する方向に100nm以下の厚さであることを特徴とする。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the etching amount of the second etching is a thickness of 100 nm or less in a direction perpendicular to the sidewall of the trench from the sidewall of the trench.
また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第6工程では、前記第4工程の前記第1エッチングにおいて、前記トレンチの側壁における、前記第1導電型炭化珪素層と前記第2導電型炭化珪素層との境界、および、前記第2導電型炭化珪素層と前記第3半導体領域との境界と、各境界の間の表面と、のエッチングレートが異なることにより、前記各境界にそれぞれ生じた突起の高さを前記第2エッチングにより低くして3nm以下にすることを特徴とする。 In addition, in the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention, in the sixth step, in the first etching of the fourth step, the etching rates of the boundary between the first conductivity type silicon carbide layer and the second conductivity type silicon carbide layer, the boundary between the second conductivity type silicon carbide layer and the third semiconductor region, and the surface between each boundary are different on the sidewall of the trench, so that the height of the protrusions generated at each boundary is reduced by the second etching to 3 nm or less.
上述した発明によれば、第2エッチングに用いるエッチングガスに、トレンチの内壁を酸化させる第2元素が含まれていないことで、第2エッチング時に、トレンチの内壁が酸化されないため、トレンチの内壁に余剰カーボン析出層が再形成されない。第2エッチングに用いるエッチングガスに、炭素を含む付着物をトレンチの内壁に付着させる第1元素が含まれていないことで、第2エッチング時に、トレンチの内壁にフッ素を含むカーボン系ポリマーが付着しない。 According to the above-mentioned invention, since the etching gas used in the second etching does not contain the second element that oxidizes the inner wall of the trench, the inner wall of the trench is not oxidized during the second etching, and therefore an excess carbon precipitate layer is not re-formed on the inner wall of the trench. Since the etching gas used in the second etching does not contain the first element that causes carbon-containing deposits to adhere to the inner wall of the trench, a fluorine-containing carbon-based polymer does not adhere to the inner wall of the trench during the second etching.
本発明にかかる炭化珪素半導体装置および炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、チャネル移動度の低下を防止することができるとともに、ゲート絶縁膜の信頼性の低下を防止することができるという効果を奏する。 The silicon carbide semiconductor device and the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the present invention have the effect of preventing a decrease in channel mobility and preventing a decrease in the reliability of the gate insulating film.
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる炭化珪素半導体装置および炭化珪素半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、nまたはpを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、nやpに付す+および-は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Preferred embodiments of the silicon carbide semiconductor device and the method of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the present invention will be described in detail below with reference to the attached drawings. In this specification and the attached drawings, in layers and regions marked with n or p, electrons or holes are the majority carriers, respectively. In addition, + and - marked with n or p respectively indicate a higher impurity concentration and a lower impurity concentration than layers or regions not marked with that letter. In the following description of the embodiments and the attached drawings, similar configurations are marked with the same reference numerals, and duplicate explanations will be omitted.
(実施の形態)
実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の構造について、MOSFETを例に説明する。図1は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の構造の一例を示す断面図である。図1に示す実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置10は、炭化珪素(SiC)を半導体材料として用いた半導体基板(半導体チップ)30のおもて面側に一般的なトレンチゲート構造を備えた縦型MOSFETである。
(Embodiment)
The structure of a silicon carbide semiconductor device according to an embodiment will be described using a MOSFET as an example. Fig. 1 is a cross-sectional view showing an example of the structure of a silicon carbide semiconductor device according to an embodiment. A silicon
半導体基板30は、炭化珪素を半導体材料として用いたn+型出発基板31のおもて面上に、n型バッファ領域2、n-型ドリフト領域(第1半導体領域)3およびp型ベース領域(第2半導体領域)4となる各エピタキシャル層32~34が順に積層されてなる。半導体基板30のp型エピタキシャル層34側の主面をおもて面とし、n+型出発基板31側の主面(n+型出発基板31の裏面)を裏面とする。n+型出発基板31は、n+型ドレイン領域1である。
The
n型エピタキシャル層32は、n型バッファ領域2である。n型バッファ領域2は設けられていなくてもよい。n-型ドリフト領域3は、n-型エピタキシャル層33(第1導電型炭化珪素層)であり、深さ方向Zにn型バッファ領域2(n型バッファ領域2が設けられていない場合はn+型ドレイン領域1)に接する。p型ベース領域4は、半導体基板30のおもて面とn-型ドリフト領域3との間に、n-型ドリフト領域3に接して設けられている。
The n-
半導体基板30のおもて面とp型ベース領域4との間に、p型ベース領域4に接して、n+型ソース領域(第3半導体領域)5およびp+型コンタクト領域6がそれぞれ選択的に設けられている。n+型ソース領域5およびp+型コンタクト領域6は、半導体基板30のおもて面に露出されている。p型エピタキシャル層(第2導電型炭化珪素層)34の、n+型ソース領域5およびp+型コンタクト領域6を除く部分がp型ベース領域4である。
An n + type source region (third semiconductor region) 5 and a p +
p型ベース領域4の、n+型ソース領域5とn-型ドリフト領域3とに挟まれた部分に、MOSFETがオン状態のときにチャネル(n型の反転層)4aが形成される。p+型コンタクト領域6を設けずに、p型ベース領域4が半導体基板30のおもて面に露出されてもよい。トレンチ7は、半導体基板30のおもて面から深さ方向Zにn+型ソース領域5およびp型ベース領域4を貫通してn-型ドリフト領域3に達する。
When the MOSFET is in an on-state, a channel (n-type inversion layer) 4a is formed in a portion of the p-
トレンチ7は、例えば、半導体基板30のおもて面に平行な第1方向Xに直線状に延在している。トレンチ7のコーナー部(角部)は丸められている。トレンチ7のコーナー部が丸められていることで、トレンチ7のコーナー部のゲート絶縁膜8にかかる電界を緩和することができるため、ゲート耐圧を確保することができる。トレンチ7のコーナー部とは、トレンチ7の側壁と底面との境界である。
The
トレンチ7の側壁で、n-型ドリフト領域3とp型ベース領域4との第1境界41と、p型ベース領域4とn+型ソース領域5との第2境界42と、が終端している。第1,2境界41,42の終端部は、トレンチ7の側壁に露出されている。これら第1,2境界41,42の終端部においてトレンチ7の側壁に段差は生じておらず、トレンチ7の側壁の全面にわたってトレンチ7の側壁は略平坦面である。
A
トレンチ7の側壁に段差が生じていないとは、トレンチ7の側壁において第1,2境界41,42の終端部にそれぞれ生じた突起41a,42a(後述する図3参照)の高さが3nm以下程度であることを意味する。トレンチ7の側壁の突起41a,42aの高さとは、トレンチ7の側壁の突起41a,42aの頂点から、トレンチ7の側壁表面の、突起41a,42aを除く部分までの距離d(図3参照)である。
The absence of steps on the sidewall of
トレンチ7の側壁の突起41a,42aは、トレンチ7の側壁と直交する第2方向Yにトレンチ7の内部へ突出し、トレンチ7の側壁に沿って第1方向Xに延在している。トレンチ7の側壁の突起41a,42aは、それぞれ第1,2境界41,42の終端部上で最も突出した箇所(頂点)を有し、当該頂点から半導体基板30の両主面側へそれぞれ向かうにしたがって低くなる略三角形状の断面形状を有する。
The
トレンチ7の内壁に沿ってゲート絶縁膜8が設けられている。ゲート絶縁膜8は、例えば高温酸化(HTO:High Temperature Oxide)膜等の堆積酸化膜である。トレンチ7の内部においてゲート絶縁膜8上に、トレンチ7の内部を埋め込むようにゲート電極9が設けられている。これらトレンチ7、ゲート絶縁膜8およびゲート電極9によりMOSゲートが構成される。
A
層間絶縁膜11は、半導体基板30のおもて面に設けられ、ゲート電極9を覆う。ソース電極12は、層間絶縁膜11のコンタクトホールに埋め込まれるように、層間絶縁膜11上に設けられている。ソース電極12は、コンタクトホールを介してn+型ソース領域5およびp+型コンタクト領域6にオーミック接触して、p型ベース領域4、n+型ソース領域5およびp+型コンタクト領域6に電気的に接続されている。
p+型コンタクト領域6が設けられていない場合、ソース電極12は、p+型コンタクト領域6に代えてp型ベース領域4にオーミック接触する。半導体基板30の裏面(n+型出発基板31の裏面)の全面にドレイン電極13が設けられている。ドレイン電極13は、n+型ドレイン領域1(n+型出発基板31)に接し、n+型ドレイン領域1に電気的に接続されている。
When the p +
次に、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置10の製造方法について、図1~6を参照して説明する。図2は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法の概要を示すフローチャートである。図2には、MOSゲートの形成工程のみを示す。図3は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。図3には、図2のステップS4の処理直後のトレンチ7を第2方向Yに平行な切断線で切断した断面構造を示す。
Next, a method for manufacturing a silicon
図4は、図3の枠Aで囲む部分(トレンチ7の側壁)の表面形状を原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscope)で検出した結果を模式的に示す斜視図である。図4には、図2のステップS1の処理直後のトレンチの側壁の表面形状を模式的に示す。図5は、図4のトレンチの側壁の一部を示す平面図である。図6は、図2のステップS4の処理直後のトレンチの側壁の表面形状を模式的に示す平面図である。 Figure 4 is a perspective view showing the surface shape of the portion enclosed by frame A in Figure 3 (the sidewall of trench 7) as detected by an atomic force microscope (AFM). Figure 4 shows the surface shape of the sidewall of the trench immediately after processing in step S1 in Figure 2. Figure 5 is a plan view showing a portion of the sidewall of the trench in Figure 4. Figure 6 is a plan view showing the surface shape of the sidewall of the trench immediately after processing in step S4 in Figure 2.
図5,6は、トレンチ7の側壁を第2方向Yから見たものであり、トレンチ7の側壁の同一箇所(突起41a,42a付近)を示している。図4のグラフ軸(3軸)について、距離x,yはそれぞれ第1,2方向X,Yの平行線上の距離であり、深さzは深さ方向Zの平行線上の距離(深さ)である。図5,6のグラフ軸(2軸)について、距離x,yはそれぞれ第1,2方向X,Yの平行線上の距離である。図4~6には、第2方向Yの高低差をハッチングで示す。
Figures 5 and 6 show the sidewall of
まず、炭化珪素を半導体材料として用いたn+型ドレイン領域1となるn+型出発基板31を用意する。次に、n+型出発基板31のおもて面上に、n型バッファ領域2、n-型ドリフト領域3およびp型ベース領域4となる各エピタキシャル層32~34を順にエピタキシャル成長させて半導体基板(半導体ウエハ)30を作製する。n型エピタキシャル層32の厚さは、例えば1μm程度であってもよい。
First, an n +
次に、イオン注入により、p型エピタキシャル層34の表面領域にn+型ソース領域5およびp+型コンタクト領域6をそれぞれ選択的に形成する。次に、イオン注入で導入した不純物を活性化させるための熱処理を行う。この熱処理は、イオン注入で形成するすべての拡散領域(n+型ソース領域5およびp+型コンタクト領域6)の形成後にまとめて1回行ってもよいし、イオン注入により拡散領域を形成するごとに行ってもよい。
Next, the n +
次に、フォトリソグラフィおよびエッチング(トレンチエッチング)により、半導体基板30のおもて面からn+型ソース領域5およびp型ベース領域4を貫通してn-型ドリフト領域3に達するトレンチ7を形成する(ステップS1:第4工程)。トレンチエッチングは、例えば、高密度プラズマによる異方性エッチングである。トレンチ7の内壁には、トレンチエッチングによるダメージ層(不図示)が形成される。
Next, a
このトレンチエッチングにおいて、トレンチ7の側壁に突起41a’,42a’による段差が形成される(図4,5)。エピタキシャル層33,34の第1,2境界41,42付近のエッチングレートがエピタキシャル層33,34の第1,2境界41,42間の部分のエッチングレートよりも遅いことで、エピタキシャル層33,34のエッチングレートの遅い部分がトレンチ7の側壁上に突起41a’,42a’として残るためと推測される。
During this trench etching, steps are formed on the sidewalls of the
次に、プラズマエッチングまたは例えば1500℃以上の高温度アニールにより、トレンチ7のコーナー部を丸める(ステップS2:第5工程)。ステップS2の処理により、トレンチ7の内壁のエッチングと、トレンチ7の内壁の珪素(Si)および炭素(C)の表面拡散と、が同時に起こり、トレンチ7のコーナー部が丸まる。ステップS2の処理を高温度アニールで行う場合、トレンチ7の内壁に高不純物濃度のドーパントの析出層(不図示)が形成される。
Next, the corners of the
次に、トレンチ7の内壁を犠牲酸化した後(ステップS3)、犠牲酸化膜を除去することで、トレンチ7の内壁に生じたダメージ層やドーパントの析出層を除去する。ステップS3の犠牲酸化により、トレンチ7の内壁に余剰カーボン析出層(不図示)が形成される。ステップS3の処理は省略可能である。次に、特性劣化の原因となる付着物をトレンチ7の内壁に付着させる第1元素を含まず、かつトレンチ7の内壁を酸化させる第2元素を含まないエッチングガスを用いて、トレンチ7の内壁をエッチングする(ステップS4:第6工程)
Next, the inner wall of the
第1元素は、例えば、フッ素を含むカーボン系ポリマー(例えばCF系ポリマー)を生成する炭素(C)である。第2元素は、例えば、トレンチ7の内壁の炭化珪素部中の珪素(Si)と結合して余剰カーボン(C)を発生させる酸素(O)である。ステップS4の処理で用いるエッチングガスは、エッチング反応を生じさせるフッ素(F)等のハロゲン元素や塩素(Cl)等を含み、かつ上記第1,2元素をいずれも含まないガスであればよく、例えば三フッ化窒素(NF3)ガスや三フッ化塩素(ClF3)ガスを用いることができる。
The first element is, for example, carbon (C) which generates a carbon-based polymer (for example, a CF-based polymer) containing fluorine. The second element is, for example, oxygen (O) which bonds with silicon (Si) in the silicon carbide portion on the inner wall of the
ステップS4の処理は、例えばケミカルドライエッチングやプラズマエッチングなど、ラジカルによる等方性の低ダメージのドライエッチング(以下、低ダメージエッチングとする)とすることがよい。例えば、チャンバー内に発生させたプラズマから生成されたラジカルを用いるプラズマエッチングとすることで低ダメージエッチングとなる。または、他の場所で発生させたプラズマから生成されてチャンバー内に輸送されたラジカルを用いるケミカルドライエッチングとすることで、より低ダメージエッチングとなる。 The process of step S4 is preferably isotropic, low-damage dry etching using radicals (hereinafter referred to as low-damage etching), such as chemical dry etching or plasma etching. For example, low-damage etching can be achieved by using plasma etching that uses radicals generated from plasma generated in the chamber. Alternatively, even lower-damage etching can be achieved by using chemical dry etching that uses radicals generated from plasma generated elsewhere and transported into the chamber.
ステップS4の処理を上記条件で行うことで、酸素を用いずにトレンチ7の内壁をエッチングすることができるため、SiC表面(エッチング面)が酸化されない。エッチング面とは、半導体基板30のおもて面およびトレンチ7の内壁表面である。また、ステップS4の処理に用いるエッチングガスにフッ素原子が含まれる場合、フッ素原子は結合エネルギーが小さく、低パワーで容易に分解してラジカルとなるため、低ダメージエッチングが可能である。
By carrying out the process of step S4 under the above conditions, the inner wall of
また、ステップS4の処理時にエッチング装置の処理炉(チャンバー)内に生じた反応生成物はすべて気体となって処理炉から外部へ排気されるため、ステップS4の処理時に生成された反応生成物によるSiC表面の面荒れが少ない。エッチングガスに含まれるフッ素原子はSiC表面に付着するが、SiC表面に付着したフッ素は各ステップS1~S6の各処理間に行う洗浄処理(不図示)により除去されるため、ステップS4の処理に用いるエッチングガスにフッ素が含まれていてもよい。 In addition, all reaction products generated in the processing furnace (chamber) of the etching apparatus during processing in step S4 are gasified and exhausted to the outside from the processing furnace, so there is little surface roughening of the SiC surface due to reaction products generated during processing in step S4. Fluorine atoms contained in the etching gas adhere to the SiC surface, but since fluorine adhered to the SiC surface is removed by a cleaning process (not shown) performed between each of the processing steps S1 to S6, the etching gas used in the processing in step S4 may contain fluorine.
ステップS4の処理により、トレンチ7の内壁の余剰カーボン析出層が除去される。ステップS3の処理が省略された場合、ステップS4の処理により、ステップS1,S2の処理でトレンチ7の内壁に生じたダメージ層およびドーパントの析出層が除去される。ステップS4の処理で上記第1,2元素を含まないエッチングガスを用いるため、従来方法(図7)のように、トレンチ7の内壁が酸化されて余剰カーボン析出層が再形成されたり、トレンチの内壁にフッ素を含むカーボン系ポリマーが付着される等の問題は生じない。
The process of step S4 removes the excess carbon precipitate layer on the inner wall of
また、ステップS4の処理により、トレンチ7の側壁に生じている突起41a’,42a’ (図4,5参照)の高さ(距離d)が3nm以下になる。このため、トレンチ7の側壁に突起41a,42aによる段差がなくなり、トレンチ7の側壁の全面にわたってトレンチ7の側壁は略平坦面となる(図6参照)。図1,3,6には、ステップS4の処理後のトレンチ7の側壁の突起を符号41a,42aで示す。ステップS4の処理によるトレンチ7の側壁のエッチング量(側壁から第2方向Yの厚さ)は100nm以下である。
Furthermore, the processing of step S4 reduces the height (distance d) of the
次に、半導体基板30のおもて面およびトレンチ7の内壁に沿って、ゲート絶縁膜8として例えばHTO膜を堆積する(ステップS5:第7工程)。次に、トレンチ7の内部に例えばポリシリコン(poly-Si)を埋め込んでゲート電極9を形成する(ステップS6:第8工程)。ステップS1~S6の処理で形成されたトレンチ7、ゲート絶縁膜8およびゲート電極9でMOSゲートが構成される。そして、図示省略するMOSゲート以外の各部を一般的な方法により所定のタイミングで形成することで、図1の炭化珪素半導体装置10が完成する。
Next, an HTO film, for example, is deposited as a
以上、説明したように、実施の形態によれば、トレンチのコーナー部を丸めるための熱処理後、トレンチの側壁に沿ってゲート絶縁膜を堆積する前に、当該熱処理でトレンチの内壁に生じたドーパントの析出層、または当該熱処理後に犠牲酸化を行う場合には当該犠牲酸化でトレンチの内壁に生じた余剰カーボン析出層、をトレンチの内壁をエッチングすることで除去する。このエッチングは、炭素を含む付着物をトレンチの内壁に付着させる第1元素と、トレンチの内壁を酸化させる第2元素と、を含まないエッチングガスを用いたプラズマ雰囲気によるドライエッチングとする。このため、トレンチの内壁に対して低ダメージエッチングが可能となる。 As described above, according to the embodiment, after heat treatment for rounding the corners of the trench and before depositing a gate insulating film along the sidewall of the trench, the dopant precipitate layer formed on the inner wall of the trench by the heat treatment, or, if sacrificial oxidation is performed after the heat treatment, the excess carbon precipitate layer formed on the inner wall of the trench by the sacrificial oxidation, is removed by etching the inner wall of the trench. This etching is dry etching in a plasma atmosphere using an etching gas that does not contain a first element that causes carbon-containing deposits to adhere to the inner wall of the trench and a second element that oxidizes the inner wall of the trench. This enables low-damage etching of the inner wall of the trench.
また、実施の形態によれば、トレンチの内壁のドーパントの析出層または余剰カーボン析出層を除去するためのエッチングに用いるエッチングガスに、トレンチの内壁を酸化させる第2元素が含まれていないことで、当該エッチング時に、トレンチの内壁が酸化されないため、トレンチの内壁に余剰カーボン析出層が再形成されない。したがって、チャネル移動度の低下を抑制することができる。これに加えて、当該エッチングのエッチングガスに、炭素を含む付着物をトレンチの内壁に付着させる第1元素が含まれていないことで、当該エッチング時に、トレンチの内壁にフッ素を含むカーボン系ポリマー(重合体)が付着しない。したがって、ゲート絶縁膜の信頼性低下を抑制することができる。 In addition, according to the embodiment, the etching gas used in the etching to remove the dopant precipitate layer or excess carbon precipitate layer on the inner wall of the trench does not contain a second element that oxidizes the inner wall of the trench, so that the inner wall of the trench is not oxidized during the etching, and the excess carbon precipitate layer is not reformed on the inner wall of the trench. This makes it possible to suppress a decrease in channel mobility. In addition, the etching gas used in the etching does not contain a first element that causes carbon-containing deposits to adhere to the inner wall of the trench, so that a fluorine-containing carbon-based polymer does not adhere to the inner wall of the trench during the etching. This makes it possible to suppress a decrease in reliability of the gate insulating film.
また、実施の形態によれば、トレンチエッチング時にトレンチの側壁において、n-型ドリフト領域とp型ベース領域との第1境界と、p型ベース領域とn+型ソース領域との第2境界にそれぞれ生じた突起の高さを、トレンチの内壁のドーパントの析出層または余剰カーボン析出層を除去するためのエッチングにより低くすることができる。これにより、トレンチの側壁に突起による段差をなくして、トレンチの側壁を略平坦面にすることができる。突起による段差は3nm以下である。トレンチの側壁に段差が生じていないことで、ゲート絶縁膜とトレンチの内壁の炭化珪素部との界面(SiO2/SiC界面)での界面ラフネス散乱を小さくすることができるため、チャネル移動度の低下を抑制することができる。 According to the embodiment, the height of the protrusions generated on the sidewall of the trench during trench etching at the first boundary between the n - type drift region and the p-type base region and the second boundary between the p-type base region and the n + type source region can be lowered by etching to remove the dopant precipitate layer or the excess carbon precipitate layer on the inner wall of the trench. This makes it possible to eliminate the step caused by the protrusion on the sidewall of the trench and make the sidewall of the trench into a substantially flat surface. The step caused by the protrusion is 3 nm or less. Since there is no step on the sidewall of the trench, it is possible to reduce the interface roughness scattering at the interface ( SiO2 /SiC interface) between the gate insulating film and the silicon carbide part on the inner wall of the trench, and thus it is possible to suppress the decrease in channel mobility.
以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、本発明は、トレンチゲート構造を備えていればよく、MOSFETに限らず、半導体基板の裏面にp型コレクタ層を形成したIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)等の他のMOS型半導体装置にも適用可能である。 The present invention is not limited to the above-mentioned embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the present invention is applicable not only to MOSFETs but also to other MOS-type semiconductor devices such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) that have a p-type collector layer formed on the back surface of a semiconductor substrate, as long as they have a trench gate structure.
以上のように、本発明にかかる炭化珪素半導体装置および炭化珪素半導体装置の製造方法は、トレンチゲート型半導体装置に有用であり、特にトレンチゲート型MOSFETに適している。 As described above, the silicon carbide semiconductor device and the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the present invention are useful for trench gate type semiconductor devices, and are particularly suitable for trench gate type MOSFETs.
1 n+型ドレイン領域
2 n型バッファ領域
3 n-型ドリフト領域
4 p型ベース領域
5 n+型ソース領域
6 p+型コンタクト領域
7 トレンチ
8 ゲート絶縁膜
9 ゲート電極
10 炭化珪素半導体装置
11 層間絶縁膜
12 ソース電極
13 ドレイン電極
30 半導体基板
31 n+型出発基板
32 n型エピタキシャル層
33 n-型エピタキシャル層
34 p型エピタキシャル層
41 n-型ドリフト領域とp型ベース領域との第1境界
41a,42a 図2のステップS4のエッチング後のトレンチの側面の突起
41a',42a’ 図2のステップS1のエッチングでトレンチの側面に生じる突起
42 p型ベース領域とn+型ソース領域との第2境界
X 半導体基板のおもて面に平行にトレンチが延在する第1方向
Y トレンチの側壁と直交する第2方向
Z 深さ方向
d トレンチの側壁の突起の頂点から当該突起間においてトレンチの側壁に露出するエピタキシャル層の表面(露出面)までの距離
REFERENCE SIGNS LIST 1 n + type drain region 2 n type buffer region 3 n - type drift region 4 p type base region 5 n + type source region 6 p +
Claims (9)
前記半導体基板の内部に設けられた第1導電型の第1半導体領域と、
前記半導体基板の第1主面と前記第1半導体領域との間に設けられた第2導電型の第2半導体領域と、
前記半導体基板の第1主面と前記第2半導体領域との間に選択的に設けられた第1導電型の第3半導体領域と、
前記第3半導体領域および前記第2半導体領域を貫通して前記第1半導体領域に達するトレンチと、
前記トレンチの内壁に沿って設けられたゲート絶縁膜と、
前記トレンチの内部において前記ゲート絶縁膜の上に設けられたゲート電極と、
前記第3半導体領域および前記第2半導体領域に電気的に接続された第1電極と、
前記半導体基板の第2主面に設けられた第2電極と、
を備え、
前記トレンチの側壁において異なる導電型の領域の界面で突起高さが3nm以下であることを特徴とする炭化珪素半導体装置。 a semiconductor substrate made of silicon carbide;
a first semiconductor region of a first conductivity type provided within the semiconductor substrate;
a second semiconductor region of a second conductivity type provided between the first main surface of the semiconductor substrate and the first semiconductor region;
a third semiconductor region of a first conductivity type selectively provided between the first main surface of the semiconductor substrate and the second semiconductor region;
a trench penetrating the third semiconductor region and the second semiconductor region to reach the first semiconductor region;
a gate insulating film provided along an inner wall of the trench;
a gate electrode provided on the gate insulating film inside the trench;
a first electrode electrically connected to the third semiconductor region and the second semiconductor region;
a second electrode provided on a second main surface of the semiconductor substrate;
Equipped with
a protrusion height of 3 nm or less at the interface between the regions of different conductivity type on the sidewall of the trench;
前記第1導電型炭化珪素層の上に、第2導電型の第2半導体領域となる第2導電型炭化珪素層を形成する第2工程と、
前記第2導電型炭化珪素層の表面領域に、第1導電型の第3半導体領域を選択的に形成する第3工程と、
第1エッチングにより、前記第3半導体領域および前記第2導電型炭化珪素層を貫通して前記第1導電型炭化珪素層に達するトレンチを形成する第4工程と、
熱処理により前記トレンチのコーナー部を丸める第5工程と、
前記第5工程の後、プラズマ雰囲気において前記トレンチの内壁を第2エッチングする第6工程と、
前記第6工程の後、前記トレンチの内壁に沿ってゲート絶縁膜を堆積する第7工程と、
前記トレンチの内部において前記ゲート絶縁膜の上にゲート電極を形成する第8工程と、
を含み、
前記第2エッチングのエッチングガスは、炭素を含む付着物を前記トレンチの内壁に付着させる第1元素と、前記トレンチの内壁を酸化させる第2元素と、を含まないことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。 A first step of forming a first conductivity type silicon carbide layer on a first conductivity type starting substrate made of silicon carbide, the first conductivity type silicon carbide layer being a first semiconductor region of the first conductivity type having an impurity concentration lower than that of the starting substrate;
a second step of forming a second conductivity type silicon carbide layer on the first conductivity type silicon carbide layer, the second conductivity type silicon carbide layer being a second semiconductor region of a second conductivity type;
a third step of selectively forming a third semiconductor region of a first conductivity type in a surface region of the second conductivity type silicon carbide layer;
a fourth step of forming a trench penetrating the third semiconductor region and the second conductivity type silicon carbide layer to reach the first conductivity type silicon carbide layer by a first etching;
A fifth step of rounding corners of the trench by heat treatment;
a sixth step of performing a second etching on the inner wall of the trench in a plasma atmosphere after the fifth step;
a seventh step of depositing a gate insulating film along an inner wall of the trench after the sixth step;
an eighth step of forming a gate electrode on the gate insulating film inside the trench;
Including,
a second etching gas that does not contain a first element that causes a carbon-containing deposit to adhere to the inner wall of the trench, and a second element that oxidizes the inner wall of the trench.
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