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JP2011096691A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

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JP2011096691A
JP2011096691A JP2009246022A JP2009246022A JP2011096691A JP 2011096691 A JP2011096691 A JP 2011096691A JP 2009246022 A JP2009246022 A JP 2009246022A JP 2009246022 A JP2009246022 A JP 2009246022A JP 2011096691 A JP2011096691 A JP 2011096691A
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JP
Japan
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silicon
trench
nitride film
silicon nitride
semiconductor device
Prior art date
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Application number
JP2009246022A
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Japanese (ja)
Inventor
Shinya Sato
慎哉 佐藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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Abstract

【課題】トレンチ内にエピタキシャル成長された半導体層を有する半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】シリコン基板11の主面にシリコン窒化膜31を形成する工程と、シリコン窒化膜31に開口31aを形成し、シリコン基板11の主面を露出させる工程と、開口31aを通して、シリコン基板11をエッチングし、トレンチ33を形成する工程と、トレンチ33の内面に、選択的にシリコン単結晶層をエピタキシャル成長させ、トレンチ33をシリコン単結晶層35cで埋め込む工程と、を具備する。
【選択図】図3
A method of manufacturing a semiconductor device having a semiconductor layer epitaxially grown in a trench is provided.
A step of forming a silicon nitride film 31 on a main surface of a silicon substrate 11, a step of forming an opening 31a in the silicon nitride film 31 to expose the main surface of the silicon substrate 11, and a silicon substrate through the opening 31a. 11 is formed, and a trench 33 is formed. A silicon single crystal layer is selectively epitaxially grown on the inner surface of the trench 33, and the trench 33 is filled with the silicon single crystal layer 35c.
[Selection] Figure 3

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.

半導体基板の表面にトレンチを形成し、トレンチの内面に選択的に半導体層をエピタキシャル成長させて、トレンチを半導体層で埋め込んだ半導体装置の製造方法が知られている(例えば、特許文献1参照。)。   A method of manufacturing a semiconductor device is known in which a trench is formed on the surface of a semiconductor substrate, a semiconductor layer is selectively epitaxially grown on the inner surface of the trench, and the trench is filled with the semiconductor layer (see, for example, Patent Document 1). .

この半導体装置の製造方法では、半導体基板の表面に、所望の形状のマスクパターンを形成するマスク形成工程と、マスクパターンから露呈する半導体基板表面をエッチングし、凹状の溝構造部を形成するとともに、この溝構造部上にマスクのひさしを残す等方性エッチング工程と、マスクのひさしをストッパーとして溝構造部内に露呈する半導体基板表面に、選択的にエピタキシャル成長層を形成するエピタキシャル成長工程とを有している。これにより、埋め込みゲート型静電誘導トランジスタ(SIT:Statistic Induced Transistor)のゲート部を形成している。   In this method of manufacturing a semiconductor device, a mask forming step of forming a mask pattern of a desired shape on the surface of the semiconductor substrate, and etching the semiconductor substrate surface exposed from the mask pattern to form a concave groove structure, An isotropic etching process that leaves a mask eaves on the groove structure, and an epitaxial growth process that selectively forms an epitaxial growth layer on the surface of the semiconductor substrate exposed in the groove structure using the mask eaves as a stopper. Yes. As a result, a gate portion of a buried gate type static induction transistor (SIT) is formed.

然しながら、この半導体装置の製造方法では、マスクとしてシリコン酸化膜を用いているため、プロセスガスであるハロゲン化合物とシリコン酸化膜とが反応する。そのため、シリコン酸化膜の近傍のトレンチの側面に成長する半導体層にファセットが形成され、トレンチの上部におけるファセット近傍の横方向の成長速度がトレンチの下部における横方向の成長速度より大きくなる。   However, since this method of manufacturing a semiconductor device uses a silicon oxide film as a mask, the halogen compound, which is a process gas, reacts with the silicon oxide film. Therefore, facets are formed in the semiconductor layer grown on the side surfaces of the trench in the vicinity of the silicon oxide film, and the lateral growth rate in the vicinity of the facet in the upper portion of the trench is larger than the lateral growth rate in the lower portion of the trench.

その結果、トレンチの上部が先に閉塞して、半導体層の内部に空洞が発生するという問題がある。この空洞は、トレンチのアスペクト比が大きくなるほど発生する確率が高くなる。   As a result, there is a problem that the upper part of the trench is closed first and a cavity is generated inside the semiconductor layer. The probability that this cavity is generated increases as the aspect ratio of the trench increases.

特開平5−234901号公報JP-A-5-234901

本発明は、トレンチ内にエピタキシャル成長された半導体層を有する半導体装置の製造方法を提供する。   The present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device having a semiconductor layer epitaxially grown in a trench.

本発明の一態様の半導体装置の製造方法は、シリコン基板の主面にシリコン窒化膜を形成する工程と、前記シリコン窒化膜に開口を形成し、前記シリコン基板の主面を露出させる工程と、前記開口を通して前記シリコン基板をエッチングし、トレンチを形成する工程と、前記トレンチの内面に選択的にシリコン単結晶層をエピタキシャル成長させ、前記トレンチを前記シリコン単結晶層で埋め込む工程とを具備することを特徴としている。   A method of manufacturing a semiconductor device of one embodiment of the present invention includes a step of forming a silicon nitride film on a main surface of a silicon substrate, a step of forming an opening in the silicon nitride film, and exposing the main surface of the silicon substrate; Etching the silicon substrate through the opening to form a trench; and epitaxially growing a silicon single crystal layer on the inner surface of the trench and filling the trench with the silicon single crystal layer. It is a feature.

本発明によれば、トレンチ内にエピタキシャル成長された半導体層を有する半導体装置の製造方法が得られる。   According to the present invention, a method for manufacturing a semiconductor device having a semiconductor layer epitaxially grown in a trench can be obtained.

本発明の実施例に係る半導体装置を示す断面図。Sectional drawing which shows the semiconductor device which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係る半導体装置の製造工程の要部を順に示す断面図。Sectional drawing which shows the principal part of the manufacturing process of the semiconductor device which concerns on the Example of this invention in order. 本発明の実施例に係る半導体装置の製造工程の要部を順に示す断面図。Sectional drawing which shows the principal part of the manufacturing process of the semiconductor device which concerns on the Example of this invention in order. 本発明の実施例に係る半導体装置の製造工程の要部を順に示す断面図。Sectional drawing which shows the principal part of the manufacturing process of the semiconductor device which concerns on the Example of this invention in order. 本発明の実施例に係る比較例の半導体装置の製造工程の要部を順に示す断面図。Sectional drawing which shows the principal part of the manufacturing process of the semiconductor device of the comparative example which concerns on the Example of this invention in order. 本発明の実施例に係るトレンチ内のエピタキシャル成長特性を比較例と対比して示す図。The figure which shows the epitaxial growth characteristic in the trench based on the Example of this invention in contrast with a comparative example. 本発明の実施例に係る半導体装置の別の製造工程の要部を順に示す断面図。Sectional drawing which shows the principal part of another manufacturing process of the semiconductor device which concerns on the Example of this invention in order. 本発明の実施例に係る別のマスクを示す断面図。Sectional drawing which shows another mask which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係る別のマスクを示す断面図。Sectional drawing which shows another mask which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係る別のマスクを示す断面図。Sectional drawing which shows another mask which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係る別のマスクを示す断面図。Sectional drawing which shows another mask which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係る別のマスクを示す断面図。Sectional drawing which shows another mask which concerns on the Example of this invention.

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

本発明の半導体装置の製造方法について図1乃至図4を用いて説明する。図1は本実施例の半導体装置を示す断面図、図2乃至図4は半導体装置の製造工程の要部を順に示す断面図である。   A method for manufacturing a semiconductor device of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to the present embodiment, and FIGS. 2 to 4 are cross-sectional views sequentially showing a main part of a manufacturing process of the semiconductor device.

本実施例は、電流経路と耐圧を維持する領域を分離したスーパージャンクション(Super Junction)構造と呼ばれるパワーMOSトランジスタを有する半導体装置を製造する場合の例である。   This embodiment is an example of manufacturing a semiconductor device having a power MOS transistor called a super junction structure in which a current path and a region for maintaining a breakdown voltage are separated.

始めに、半導体装置について説明する。図1に示すように、本実施例の半導体装置10では、電流経路となるn型半導体ピラー層と電流仕切り領域となるp型半導体ピラー層が水平方向に交互に配列され、p型半導体ピラー層の上部表面に形成されたp型半導体ベース層にn型ソース領域およびゲート電極が形成されている。   First, a semiconductor device will be described. As shown in FIG. 1, in the semiconductor device 10 of this embodiment, n-type semiconductor pillar layers serving as current paths and p-type semiconductor pillar layers serving as current partition regions are alternately arranged in the horizontal direction to form p-type semiconductor pillar layers. An n-type source region and a gate electrode are formed in a p-type semiconductor base layer formed on the upper surface.

具体的には、n型シリコン基板11の主面に、長さLのn型半導体ピラー層12と、n型半導体ピラー層12に隣接してp型半導体ピラー層13、p型半導体ピラー層13に隣接してn型半導体ピラー層14が形成されている。各ピラー層は、例えば紙面に垂直な方向に、ストライプ状に形成されている。   Specifically, an n-type semiconductor pillar layer 12 having a length L, a p-type semiconductor pillar layer 13 adjacent to the n-type semiconductor pillar layer 12, and a p-type semiconductor pillar layer 13 on the main surface of the n-type silicon substrate 11. An n-type semiconductor pillar layer 14 is formed adjacent to. Each pillar layer is formed in a stripe shape, for example, in a direction perpendicular to the paper surface.

p型半導体ピラー層13の上部表面には、p型半導体ベース層15が形成されている。p型半導体ベース層15の表面のn型半導体ピラー層12側にn型半導体ソース領域16が形成され、n型半導体ピラー層14側にn型半導体ソース領域17が形成されている。   A p-type semiconductor base layer 15 is formed on the upper surface of the p-type semiconductor pillar layer 13. An n-type semiconductor source region 16 is formed on the surface of the p-type semiconductor base layer 15 on the n-type semiconductor pillar layer 12 side, and an n-type semiconductor source region 17 is formed on the n-type semiconductor pillar layer 14 side.

n型半導体ソース領域16とn型半導体ピラー層12の間のp型半導体ベース層15上およびn型半導体ソース領域17とn型半導体ピラー層14の間のp型半導体ベース層15上に、ゲート絶縁膜18が形成され、ゲート絶縁膜18上にゲート電極19が形成されている。   Gates are formed on the p-type semiconductor base layer 15 between the n-type semiconductor source region 16 and the n-type semiconductor pillar layer 12 and on the p-type semiconductor base layer 15 between the n-type semiconductor source region 17 and the n-type semiconductor pillar layer 14. An insulating film 18 is formed, and a gate electrode 19 is formed on the gate insulating film 18.

n型半導体ピラー層12、14、p型半導体ピラー層13の表面およびゲート電極19は層間絶縁膜20で保護されている。層間絶縁膜20上に、ソース電極21が形成されている。   The surfaces of the n-type semiconductor pillar layers 12 and 14 and the p-type semiconductor pillar layer 13 and the gate electrode 19 are protected by an interlayer insulating film 20. A source electrode 21 is formed on the interlayer insulating film 20.

ソース電極21は、層間絶縁膜20の開孔を通してn型ソース領域16、17とp型半導体ベース層15に接続されている。n型シリコン基板11の主面と反対の面にはドレイン電極22が形成されている。   The source electrode 21 is connected to the n-type source regions 16 and 17 and the p-type semiconductor base layer 15 through the opening of the interlayer insulating film 20. A drain electrode 22 is formed on the surface opposite to the main surface of the n-type silicon substrate 11.

高い耐圧と低いオン抵抗を同時に得るためには、狭幅長尺なピラー層が有利である。例えば耐圧900V、オン抵抗150mΩを得るためには、n型半導体ピラー層12、14、p型半導体ピラー層13の長さLは、例えば90μm程度度が望ましい。また、n型半導体ピラー層12、14の幅Wn、p型半導体ピラー層13の幅Wpは互いにほぼ等しく、例えば10μm程度が望ましい。   In order to obtain a high breakdown voltage and a low on-resistance at the same time, a narrow and long pillar layer is advantageous. For example, in order to obtain a withstand voltage of 900 V and an on-resistance of 150 mΩ, the length L of the n-type semiconductor pillar layers 12 and 14 and the p-type semiconductor pillar layer 13 is desirably about 90 μm, for example. Further, the width Wn of the n-type semiconductor pillar layers 12 and 14 and the width Wp of the p-type semiconductor pillar layer 13 are substantially equal to each other, for example, about 10 μm is desirable.

ここで、p型半導体ピラー層13を形成するために、n型シリコン基板11に深いトレンチを形成し、トレンチの内面にp型シリコン単結晶層を選択的にエピタキシャル成長させて、トレンチをp型シリコン単結晶層で埋め込む場合、トレンチの上部が先に閉塞して、空洞状の埋め込み不良が発生する場合がある。   Here, in order to form the p-type semiconductor pillar layer 13, a deep trench is formed in the n-type silicon substrate 11, a p-type silicon single crystal layer is selectively epitaxially grown on the inner surface of the trench, and the trench is formed into p-type silicon. In the case of embedding with a single crystal layer, the upper portion of the trench is blocked first, and a hollow embedding defect may occur.

本実施例では、庇を有するシリコン窒化膜をマスクとして、空洞状の埋め込み不良の発生を防止し、耐圧が揃ったp型半導体ピラー層が得られるように構成されている。   In this embodiment, a p-type semiconductor pillar layer having a uniform withstand voltage is obtained by using a silicon nitride film having ridges as a mask to prevent the occurrence of hollow filling defects.

次に、本実施例の半導体装置の製造方法について、図2乃至図4を用いて説明する。図2乃至図4は半導体装置の製造工程の要部を順に示す断面図である。   Next, a method for manufacturing the semiconductor device of this embodiment will be described with reference to FIGS. 2 to 4 are cross-sectional views sequentially showing the main part of the manufacturing process of the semiconductor device.

始に、図2(a)に示すように、n型シリコン基板11上に、シリコン窒化膜31を、例えばプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法により厚さ400nm程度形成する。   First, as shown in FIG. 2A, a silicon nitride film 31 is formed on an n-type silicon substrate 11 to a thickness of about 400 nm by, for example, a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method.

次に、フォトリソグラフィ法により、シリコン窒化膜31上にp型半導体ピラー層13の幅Wpより狭い幅の開口を有するレジスト膜(図示せず)を形成し、レジスト膜をマスクとして、例えばフッ素系ガスを用いたRIE(Reactive Ion Etching)法により、シリコン窒化膜31に幅がWの開口31aを形成する。これにより、n型シリコン基板11の表面が露出する。   Next, a resist film (not shown) having an opening narrower than the width Wp of the p-type semiconductor pillar layer 13 is formed on the silicon nitride film 31 by photolithography, and the resist film is used as a mask, for example, a fluorine-based film. An opening 31a having a width W is formed in the silicon nitride film 31 by RIE (Reactive Ion Etching) using a gas. Thereby, the surface of the n-type silicon substrate 11 is exposed.

次に、レジスト膜を除去した後、図2(b)に示すように、シリコン窒化膜31をマスクとし、開口31aを通して、例えば塩素系/フッ素系ガスを用いたRIE法により異方性エッチングを行い、深さ90μm程度の溝32を形成する。   Next, after removing the resist film, as shown in FIG. 2B, anisotropic etching is performed through the opening 31a by the RIE method using, for example, chlorine / fluorine gas, using the silicon nitride film 31 as a mask. The groove 32 having a depth of about 90 μm is formed.

次に、図2(c)に示すように、例えば塩素系/フッ素系ガスを用いたCDE(Chemical Dry Etching)法により等方性エッチングを行い、溝32の内側面を後退させる。これにより、幅がWpのトレンチ33が形成されるとともに、トレンチ33の開口面に残置されたシリコン窒化膜31の庇34が形成される。   Next, as shown in FIG. 2C, isotropic etching is performed by CDE (Chemical Dry Etching) using, for example, chlorine / fluorine gas, and the inner side surface of the groove 32 is retracted. As a result, a trench 33 having a width Wp is formed, and a ridge 34 of the silicon nitride film 31 left on the opening surface of the trench 33 is formed.

次に、庇34を有するシリコン窒化膜31をマスクとして、トレンチ33の内面に選択的にシリコン単結晶をエピタキシャル成長させる。選択エピタキシャル成長は、例えばキャリアガスとして水素(H)、プロセスガスとしてジクロルシラン(SiHCl)と塩酸(HCl)の混合ガスを用い、温度1050℃で行う。P型のドーパントガスとして、ジボラン(B)を用いる。 Next, a silicon single crystal is selectively epitaxially grown on the inner surface of the trench 33 using the silicon nitride film 31 having the ridges 34 as a mask. The selective epitaxial growth is performed at a temperature of 1050 ° C. using, for example, hydrogen (H 2 ) as a carrier gas and a mixed gas of dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) and hydrochloric acid (HCl) as a process gas. Diborane (B 2 H 6 ) is used as the P-type dopant gas.

図3(a)乃至図3(c)は、トレンチ33の内面に選択的にシリコン単結晶層がエピタキシャル成長する過程を示している。
始めに、図3(a)に示すように、トレンチ33の底面、および両側面に、それぞれの面方位に応じた成長速度でシリコン単結晶層がエピタキシャル成長する。成長速度は、通常(100)面が最も速く、ついで(110)面、(111)面の順である。
3A to 3C show a process in which a silicon single crystal layer is selectively epitaxially grown on the inner surface of the trench 33.
First, as shown in FIG. 3A, a silicon single crystal layer is epitaxially grown on the bottom surface and both side surfaces of the trench 33 at a growth rate corresponding to the respective plane orientations. The growth rate is usually the fastest in the (100) plane, followed by the (110) plane and the (111) plane.

例えばn型シリコン基板11の面方位が(100)面、トレンチ33の側面の面方位が(110)の場合、シリコン単結晶層は、底面での成長速度が側面での成長速度より大きくなり、シリコン単結晶層35aのように成長する。   For example, when the surface orientation of the n-type silicon substrate 11 is (100) and the surface orientation of the side surface of the trench 33 is (110), the silicon single crystal layer has a growth rate on the bottom surface larger than the growth rate on the side surface. It grows like a silicon single crystal layer 35a.

このとき、シリコン窒化膜31に付着するシリコン原子は、HClでエッチングされないため、一部のシリコン窒化膜31上に核形成が起こり、シリコン多結晶体36aが形成される。   At this time, since silicon atoms adhering to the silicon nitride film 31 are not etched by HCl, nucleation occurs on a part of the silicon nitride film 31, and a silicon polycrystal 36a is formed.

次に、図3(b)に示すように、トレンチ33の側面に成長したシリコン単結晶層が庇34の先端を越えると、シリコン単結晶層は、庇34の側面に沿って上方にも成長し、シリコン単結晶層35bのように成長する。   Next, as shown in FIG. 3B, when the silicon single crystal layer grown on the side surface of the trench 33 exceeds the tip of the ridge 34, the silicon single crystal layer grows upward along the side surface of the ridge 34. Then, it grows like a silicon single crystal layer 35b.

次に、図3(c)に示すように、トレンチ33の両側面から成長してきたシリコン単結晶が合体して、トレンチ33が空洞を生じることなくシリコン単結晶層で埋め込まれる。   Next, as shown in FIG. 3C, the silicon single crystals grown from both side surfaces of the trench 33 are united, and the trench 33 is filled with the silicon single crystal layer without generating a cavity.

更に、n型シリコン基板11面内で完全にトレンチ33を埋め込むために、1〜2μm程度オーバ成長させると、シリコン窒化膜31より上方に成長したシリコン単結晶層は、横方向にも成長し、シリコン窒化膜31上にも延伸する。その結果、シリコン単結晶層は、オーバ成長部37を有し、シリコン単結晶層35cのように成長する。   Furthermore, in order to completely fill the trench 33 in the surface of the n-type silicon substrate 11, when the overgrowth is about 1 to 2 μm, the silicon single crystal layer grown above the silicon nitride film 31 grows in the lateral direction, The silicon nitride film 31 is also extended. As a result, the silicon single crystal layer has an overgrowth portion 37 and grows like a silicon single crystal layer 35c.

この間、シリコン多結晶体36aは、シリコン多結晶体36bからシリコン多結晶体36cのように成長するが、トレンチ33内へのシリコン単結晶のエピタキシャル成長に特に影響を及ぼさない。   During this time, the silicon polycrystal 36a grows like the silicon polycrystal 36c from the silicon polycrystal 36b, but does not particularly affect the epitaxial growth of the silicon single crystal in the trench 33.

次に、図4(a)に示すように、例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing)法により、シリコン窒化膜31をストッパーとして、シリコン窒化膜31上に形成されたシリコン多結晶体36cおよびオーバ成長部37を除去する。   Next, as shown in FIG. 4A, for example, by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method, the silicon polycrystal 36c formed on the silicon nitride film 31 and the overgrown portion 37 are formed using the silicon nitride film 31 as a stopper. Remove.

次に、図4(b)に示すように、例えば熱燐酸を用いたウェットエッチングによりシリコン窒化膜31を除去する。   Next, as shown in FIG. 4B, the silicon nitride film 31 is removed by wet etching using, for example, hot phosphoric acid.

次に、図4(c)に示すように、n型シリコン基板11をミラーポリュシュして、表面を平坦化する。これにより、p型半導体ピラー層13が形成される。   Next, as shown in FIG. 4C, the n-type silicon substrate 11 is mirror polished to flatten the surface. Thereby, the p-type semiconductor pillar layer 13 is formed.

次に、周知の方法により、p型半導体ピラー層13の上部表面に、p型半導体ベース層15を形成し、p型半導体ベース層15の表面にn型半導体ソース領域16、n型半導体ソース領域17を形成する。   Next, a p-type semiconductor base layer 15 is formed on the upper surface of the p-type semiconductor pillar layer 13 by a known method, and an n-type semiconductor source region 16 and an n-type semiconductor source region are formed on the surface of the p-type semiconductor base layer 15. 17 is formed.

次に、p型半導体ベース層15上にゲート絶縁膜18を形成し、ゲート絶縁膜18上にゲート電極19を形成し、n型半導体ピラー層12、14、p型半導体ピラー層13の表面およびゲート電極19を層間絶縁膜20で保護する。   Next, a gate insulating film 18 is formed on the p-type semiconductor base layer 15, a gate electrode 19 is formed on the gate insulating film 18, and the surfaces of the n-type semiconductor pillar layers 12 and 14, the p-type semiconductor pillar layer 13 and The gate electrode 19 is protected by the interlayer insulating film 20.

次に、層間絶縁膜20上にソース電極21を形成し、n型シリコン基板11の主面と反対の面にドレイン電極22を形成する。これにより、図1に示す半導体装置10が得られる。   Next, the source electrode 21 is formed on the interlayer insulating film 20, and the drain electrode 22 is formed on the surface opposite to the main surface of the n-type silicon substrate 11. Thereby, the semiconductor device 10 shown in FIG. 1 is obtained.

図5は比較例の半導体装置の製造工程の要部を順に示す断面図である。ここで、比較例とは、シリコン酸化膜をマスクとして、トレンチ内面にシリコン単結晶層をエピタキシャル成長させ、トレンチをシリコン単結晶層で埋め込む工程を有する半導体装置の製造方法のことである。   FIG. 5 is a cross-sectional view sequentially showing the main part of the manufacturing process of the semiconductor device of the comparative example. Here, the comparative example is a method of manufacturing a semiconductor device including a step of epitaxially growing a silicon single crystal layer on the inner surface of a trench using a silicon oxide film as a mask and filling the trench with the silicon single crystal layer.

図5(a)乃至図5(c)は、比較例において、トレンチの内面に選択的にシリコン単結晶層がエピタキシャル成長する過程を示している。   FIGS. 5A to 5C show a process in which a silicon single crystal layer is selectively epitaxially grown on the inner surface of the trench in the comparative example.

始めに、図5(a)に示すように、トレンチ33の底面および両側面に、それぞれの面方位に応じた成長速度で、シリコン単結晶層がエピタキシャル成長する。ここで、シリコン酸化膜51とプロセスガスであるSiHClとの反応により、エピタキシャル成長したシリコンは、シリコン酸化膜51と界面で反応して喰われる。その結果、トレンチ33の上部の成長速度が遅くなり、(111)ファセット52aが生じる。 First, as shown in FIG. 5A, a silicon single crystal layer is epitaxially grown on the bottom surface and both side surfaces of the trench 33 at a growth rate corresponding to the respective plane orientations. Here, the silicon epitaxially grown by the reaction between the silicon oxide film 51 and the process gas SiH 2 Cl 2 reacts with the silicon oxide film 51 at the interface and is eaten. As a result, the growth rate of the upper part of the trench 33 is reduced, and a (111) facet 52a is generated.

(111)面に付着しなかったシリコン原子は下側に流れ込むため、シリコン単結晶層は、(110)との変局点付近で、特に成長速度が速くなり、シリコン単結晶層53aのように成長する。   Since silicon atoms that have not adhered to the (111) plane flow downward, the silicon single crystal layer has a particularly high growth rate near the inflection point with respect to (110), like the silicon single crystal layer 53a. grow up.

次に、図5(b)に示すように、プロセスガスがトレンチ上部の変局点付近で多く消費されることにより、トレンチの下部でプロセスガスの濃度が減少することとの相乗効果により、シリコン単結晶層は、シリコン単結晶層53bのように成長する。   Next, as shown in FIG. 5B, a large amount of process gas is consumed in the vicinity of the inflection point at the upper part of the trench, so that the concentration of the process gas at the lower part of the trench is reduced. The single crystal layer grows like the silicon single crystal layer 53b.

次に、図5(c)に示すように、トレンチ33の両側面から異常成長してきたシリコン単結晶層が先に合体して、トレンチ33の開口部を塞ぐため、シリコン単結晶層は、シリコン単結晶層53cのように成長し、トレンチ33に空洞54が生じる。 Next, as shown in FIG. 5C, the silicon single crystal layer that has abnormally grown from both side surfaces of the trench 33 is united first to block the opening of the trench 33. Growing like a single crystal layer 53 c, a cavity 54 is formed in the trench 33.

これにより、トレンチ33が正常にシリコン単結晶層で埋め込まれるのが阻害され、均一なp型半導体ピラー層13が得られなくなる。   As a result, the trench 33 is prevented from being normally filled with the silicon single crystal layer, and the uniform p-type semiconductor pillar layer 13 cannot be obtained.

図6はトレンチ内のエピタキシャル成長特性を比較例と対比して示す図で、トレンチの深さ方向のシリコン単結晶層の成長速度を示している。図6において、実線が本実施例のエピタキシャル成長特性を示す図、破線で結ばれた白丸が比較例のエピタキシャル成長特性を示す図である。   FIG. 6 is a diagram showing the epitaxial growth characteristics in the trench in comparison with the comparative example, and shows the growth rate of the silicon single crystal layer in the depth direction of the trench. In FIG. 6, the solid line shows the epitaxial growth characteristics of the present example, and the white circle connected by the broken line shows the epitaxial growth characteristics of the comparative example.

図6に示すように、比較例では、ファセットが形成されたために、深さが略1μmをピークとして深さが略0〜5μmの間のトレンチの側面におけるシリコン単結晶層の成長速度が異常に大きくなっていることが確認された。   As shown in FIG. 6, in the comparative example, since the facets were formed, the growth rate of the silicon single crystal layer on the side surface of the trench having a depth of about 1 to 5 μm and a depth of about 0 to 5 μm was abnormal. It was confirmed that it was getting bigger.

一方、本実施例では、トレンチの側面におけるシリコン単結晶層の成長速度は、略一様であり、比較例のようなファセットは形成されていないことが確認された。   On the other hand, in this example, it was confirmed that the growth rate of the silicon single crystal layer on the side surface of the trench was substantially uniform, and no facet as in the comparative example was formed.

トレンチの深さが略5μm以上になると、トレンチの側面における膜厚は、本実施例および比較例において略同様の傾向を示した。   When the depth of the trench was about 5 μm or more, the film thickness on the side surface of the trench showed substantially the same tendency in this example and the comparative example.

以上説明したように、本実施例の半導体装置の製造方法では、庇34を有するシリコン窒化膜31をマスクとして、トレンチ33内に選択的にシリコン単結晶層をエピタキシャル成長させている。   As described above, in the method of manufacturing the semiconductor device of this embodiment, the silicon single crystal layer is selectively epitaxially grown in the trench 33 using the silicon nitride film 31 having the ridge 34 as a mask.

その結果、シリコン窒化膜31はプロセスガス中のHClと反応しないので、エピタキシャル成長中に(111)面のフアセットの生成が防止され、トレンチ33を空洞のないシリコン単結晶層35cで埋め込むことができる。従って、トレンチ内にエピタキシャル成長された半導体層を有する半導体装置の製造方法が得られる。   As a result, since the silicon nitride film 31 does not react with HCl in the process gas, generation of a facet on the (111) plane is prevented during epitaxial growth, and the trench 33 can be filled with the silicon single crystal layer 35c without a cavity. Therefore, a method for manufacturing a semiconductor device having a semiconductor layer epitaxially grown in the trench can be obtained.

ここでは、異方性エッチングにより溝32を形成し、等方性エッチングにより溝32の幅を拡げて開口面に庇34を残置し、トレンチ33を形成する場合について説明足したが、その他の方法で形成することもできる。図7は別の製造工程を順に示す断面図である。   In this example, the trench 32 is formed by anisotropic etching, the width of the trench 32 is expanded by isotropic etching, and the ridge 34 is left on the opening surface, so that the trench 33 is formed. It can also be formed. FIG. 7 is a cross-sectional view sequentially showing another manufacturing process.

図7(a)に示すように、シリコン基板11の主面に幅Wpの開口61aを有するシリコン窒化膜61を形成する。   As shown in FIG. 7A, a silicon nitride film 61 having an opening 61 a having a width Wp is formed on the main surface of the silicon substrate 11.

次に、図7(b)に示すように、シリコン窒化膜61をマスクとして、CDE法により等方性エッチングを行い、浅い溝62を形成する。このとき、アンダーカットが生じ、庇63が形成される。   Next, as shown in FIG. 7B, isotropic etching is performed by the CDE method using the silicon nitride film 61 as a mask to form a shallow groove 62. At this time, an undercut occurs and a ridge 63 is formed.

次に、図7(c)に示すように、RIE法により異方性エッチングを行い、幅Wpのトレンチ64を形成する。   Next, as shown in FIG. 7C, anisotropic etching is performed by the RIE method to form a trench 64 having a width Wp.

庇63を有するシリコン窒化膜61をマスクとして、図3(a)乃至図3(c)と同様にトレンチ64内に空洞のないシリコン単結晶層を埋め込むことができる。   Using the silicon nitride film 61 having the ridges 63 as a mask, a silicon single crystal layer having no cavities can be embedded in the trench 64 as in FIGS. 3A to 3C.

プロセスガスとしてSiHClを用いた場合について説明したが、シラン(SiH)、トリクロルシラン(SiHCl)、四塩化シリコン(SiCl)などを用いても、トレンチ内に空洞のないシリコン単結晶層を埋め込むことができる。 Although the case where SiH 2 Cl 2 is used as the process gas has been described, even if silane (SiH), trichlorosilane (SiHCl 3 ), silicon tetrachloride (SiCl 4 ), or the like is used, a silicon single crystal having no cavity in the trench Layers can be embedded.

シリコン窒化膜31が庇34を有する場合について説明したが、庇は無くても構わない。その場合は、予め開口31aの幅を幅Wpとしておく。これにより、等方性エッチングのCDE工程は不要になる。   Although the case where the silicon nitride film 31 has the ridge 34 has been described, the ridge may be omitted. In that case, the width of the opening 31a is set to the width Wp in advance. Thereby, the CDE process of isotropic etching becomes unnecessary.

但し、図3(a)に示す工程において、シリコン単結晶層35aの上方への成長を抑えるストッパーが無くなるので、図3(c)に示す工程において、オーバ成長部37がシリコン窒化膜31へ、更に張り出すようになる。然し、図4(a)に示す工程において、除去可能な範囲であれば、特に支障は生じない。   However, in the step shown in FIG. 3A, there is no stopper for suppressing the upward growth of the silicon single crystal layer 35a. Therefore, in the step shown in FIG. Further overhangs. However, in the process shown in FIG. 4A, there is no particular problem as long as it is within a removable range.

トレンチ33の内側面の面方位が(110)の場合について説明したが、(001)面であっても構わない。その場合は、n型シリコン基板11の面方位(100)と等価になるので、トレンチ33の底面および両側面でのシリコン単結晶層の成長速度が略一様になる利点がある。   Although the case where the surface orientation of the inner side surface of the trench 33 is (110) has been described, it may be the (001) plane. In that case, since it is equivalent to the plane orientation (100) of the n-type silicon substrate 11, there is an advantage that the growth rate of the silicon single crystal layer on the bottom surface and both side surfaces of the trench 33 becomes substantially uniform.

マスクがシリコン窒化膜の単層膜である場合について説明したが、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜の多層膜とすることもできる。   Although the case where the mask is a single layer film of a silicon nitride film has been described, a multi-layer film of a silicon nitride film and a silicon oxide film may be used.

シリコン窒化膜上にシリコン酸化膜を積層した構造の2層のマスクの場合、図3(a)乃至図3(c)に示す工程において、シリコン窒化膜上への核生成が生ぜず、シリコン多結晶体36a、36b、36cの生成が防止できる利点がある。   In the case of a two-layer mask having a structure in which a silicon oxide film is laminated on a silicon nitride film, nucleation on the silicon nitride film does not occur in the steps shown in FIGS. There is an advantage that generation of the crystal bodies 36a, 36b, and 36c can be prevented.

図8乃至図10はシリコン窒化膜上にシリコン酸化膜を積層した構造の2層のマスクを示す図で、図8および図9はシリコン窒化膜の庇を有する場合を示す断面図、図10はシリコン窒化膜の庇を有しない場合を示す断面図である。   8 to 10 are views showing a two-layer mask having a structure in which a silicon oxide film is laminated on a silicon nitride film. FIGS. 8 and 9 are cross-sectional views showing cases having a ridge of a silicon nitride film. FIG. It is sectional drawing which shows the case where it does not have the ridge of a silicon nitride film.

図8に示すように、2層のマスク70では、庇34を有するシリコン窒化膜31上に、開口31aと同じ幅Wの開口71aを有するシリコン酸化膜71が積層されている。   As shown in FIG. 8, in the two-layer mask 70, a silicon oxide film 71 having an opening 71a having the same width W as the opening 31a is stacked on the silicon nitride film 31 having the flange 34.

図9に示すように、2層のマスク72では、庇63を有するシリコン窒化膜61上に、開口61aと同じ幅Wpの開口73aを有するシリコン酸化膜73が積層されている。   As shown in FIG. 9, in the two-layer mask 72, a silicon oxide film 73 having an opening 73a having the same width Wp as the opening 61a is laminated on the silicon nitride film 61 having the flange 63.

図10に示すように、2層のマスク74では、庇を有しないシリコン窒化膜75上に、開口75aの幅Wpより大きい幅W2の開口76a有するシリコン酸化膜76が積層されている。トレンチ77の開口面にシリコン窒化膜75の庇がない場合、シリコン窒化膜75の側面に沿って成長してくるシリコン単結晶とシリコン酸化膜76とが接触して、トレンチの上部にファセットが形成されるのを未然に防止するために、シリコン酸化膜76の側面は、シリコン窒化膜75の側面より後退させておくことが望ましい。   As shown in FIG. 10, in the two-layer mask 74, a silicon oxide film 76 having an opening 76a having a width W2 larger than the width Wp of the opening 75a is laminated on the silicon nitride film 75 having no wrinkles. When there is no wrinkle of the silicon nitride film 75 on the opening surface of the trench 77, the silicon single crystal grown along the side surface of the silicon nitride film 75 and the silicon oxide film 76 come into contact with each other to form a facet on the upper portion of the trench. In order to prevent this from happening, it is desirable that the side surface of the silicon oxide film 76 be made to recede from the side surface of the silicon nitride film 75.

更に、マスクがシリコン窒化膜をシリコン酸化膜で挟んだ構造の3層のマスクの場合、図2(b)、図2(c)および図7(b)、図7(c)に示す工程において、シリコン窒化膜のエッチングが防止できる利点がある。   Further, when the mask is a three-layer mask having a structure in which a silicon nitride film is sandwiched between silicon oxide films, in the steps shown in FIGS. 2 (b), 2 (c), 7 (b), and 7 (c). There is an advantage that etching of the silicon nitride film can be prevented.

これは、シリコン窒化膜は、RIE法およびCDE法によりトレンチを形成する際に、多少なりともエッチングされるため、シリコン窒化膜の膜厚が目減りしてマスクとしての機能を果たさなくなる恐れを未然に防止するためである。   This is because the silicon nitride film is etched to some extent when the trench is formed by the RIE method and the CDE method, so that there is a risk that the thickness of the silicon nitride film is reduced and the function as a mask cannot be performed. This is to prevent it.

図11はシリコン窒化膜をシリコン酸化膜で挟んだ構造の3層のマスクを示す断面図で、図11(a)はトレンチが形成されたときの状態を示す断面図、図11(b)はトレンチの内面にシリコン単結晶を選択的に成長させる前の状態を示す断面図である。   11 is a cross-sectional view showing a three-layer mask having a structure in which a silicon nitride film is sandwiched between silicon oxide films. FIG. 11A is a cross-sectional view showing a state when a trench is formed, and FIG. It is sectional drawing which shows the state before growing a silicon single crystal selectively on the inner surface of a trench.

図11(a)に示すように、3層のマスク80では、n型シリコン基板11上に、シリコン酸化膜81(第1のシリコン酸化膜)が形成され、シリコン酸化膜81上にシリコン窒化膜82が形成され、更にシリコン窒化膜82上にシリコン酸化膜83(第2のシリコン酸化膜)が形成されている。シリコン酸化膜81、シリコン窒化膜82およびシリコン酸化膜83には、幅Wの開口が同心的に形成されている。   As shown in FIG. 11A, in the three-layer mask 80, a silicon oxide film 81 (first silicon oxide film) is formed on the n-type silicon substrate 11, and a silicon nitride film is formed on the silicon oxide film 81. 82 is formed, and a silicon oxide film 83 (second silicon oxide film) is formed on the silicon nitride film 82. Openings having a width W are formed concentrically in the silicon oxide film 81, the silicon nitride film 82 and the silicon oxide film 83.

マスク80を用いて、図2(b)および図2(c)に示す工程と同様に、RIE法およびCDE法により、トレンチ84が形成される。シリコン酸化膜83は、シリコン窒化膜82の上面がエッチングされるのを防止し、シリコン酸化膜81は、シリコン窒化膜82の庇85の下面がエッチングされるのを防止している。   Using the mask 80, a trench 84 is formed by the RIE method and the CDE method, similarly to the steps shown in FIGS. 2B and 2C. The silicon oxide film 83 prevents the upper surface of the silicon nitride film 82 from being etched, and the silicon oxide film 81 prevents the lower surface of the flange 85 of the silicon nitride film 82 from being etched.

次に、図11(b)に示すように、トレンチ84の内面にシリコン単結晶を選択的に成長させる前にフッ酸を含む溶液を用いたウェットエッチングにより、シリコン酸化膜81およびシリコン酸化膜83をトレンチ84の両側壁より後退させ、隙間86を形成しておくことが望ましい。   Next, as shown in FIG. 11B, the silicon oxide film 81 and the silicon oxide film 83 are formed by wet etching using a solution containing hydrofluoric acid before the silicon single crystal is selectively grown on the inner surface of the trench 84. It is desirable that the gap 86 is formed by retreating from both side walls of the trench 84.

これは、トレンチ84の内面にシリコン単結晶を選択的に成長させる際に、シリコン単結晶がシリコン酸化膜81に接触してファセットが形成されるのを防止するためである。   This is to prevent the silicon single crystal from contacting the silicon oxide film 81 and forming facets when the silicon single crystal is selectively grown on the inner surface of the trench 84.

これにより、シリコン窒化膜82は、エッチングにより目減りすることを見込んで予め厚くしておく必要がなく、シリコン窒化膜82の形成が容易になる。   Accordingly, the silicon nitride film 82 does not need to be thickened in anticipation of being reduced by etching, and the silicon nitride film 82 can be easily formed.

尚、シリコン酸化膜83は、露出したシリコン窒化膜82上にシリコン多結晶体が成長するのを防止するために、後退させないようにすることも可能である。   The silicon oxide film 83 can be prevented from retreating in order to prevent the silicon polycrystal from growing on the exposed silicon nitride film 82.

図12はシリコン窒化膜をシリコン酸化膜で挟んだ構造の別の3層のマスクを示す断面図で、図12(a)はトレンチが形成されたときの状態を示す断面図、図12(b)はトレンチの内面にシリコン単結晶を選択的に成長させる前の状態を示す断面図である。   12 is a cross-sectional view showing another three-layer mask having a structure in which a silicon nitride film is sandwiched between silicon oxide films. FIG. 12A is a cross-sectional view showing a state when a trench is formed, and FIG. ) Is a cross-sectional view showing a state before a silicon single crystal is selectively grown on the inner surface of the trench.

図12(a)および図12(b)は、図11(a)および図11(b)と同様であり、その説明は省略するが、マスク90を用いて、図7(b)および図7(c)に示す工程と同様に、RIE法およびCDE法により、トレンチ94が形成される。   12 (a) and 12 (b) are the same as FIGS. 11 (a) and 11 (b), and the description thereof is omitted. However, using a mask 90, FIGS. 7 (b) and 7 (b) are used. Similar to the process shown in (c), the trench 94 is formed by the RIE method and the CDE method.

シリコン酸化膜93(第2のシリコン酸化膜)は、シリコン窒化膜92の上面がエッチングされるのを防止し、シリコン酸化膜91(第1のシリコン酸化膜)は、シリコン窒化膜92の庇95の下面がエッチングされるのを防止している。   The silicon oxide film 93 (second silicon oxide film) prevents the upper surface of the silicon nitride film 92 from being etched, and the silicon oxide film 91 (first silicon oxide film) serves as a flange 95 of the silicon nitride film 92. This prevents the lower surface of the substrate from being etched.

10 半導体装置
11 n型シリコン基板
12、14 n型半導体ピラー層
13 p型半導体ピラー層
15 p型半導体ベース層
16、17 n型半導体ソース領域
18 ゲート絶縁膜
19 ゲート電極
20 層間絶縁膜
21 ソース電極
22 ドレイン電極
31、61、75、82、92 シリコン窒化膜
31a、61b、73a、75a、76a 開口
32、62 溝
33、64、77、84、94 トレンチ
34、63、85、95 庇
35a、35b、35c、53a、53b、53c シリコン単結晶層
36a、36b、36c シリコン多結晶体
37 オーバ成長部
51、71、73、76、81、83、91、93 シリコン酸化膜
52a、52b、52c ファセット
54 空洞
70、72、74、80、90 マスク
86、96 隙間
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Semiconductor device 11 n-type silicon substrate 12, 14 n-type semiconductor pillar layer 13 p-type semiconductor pillar layer 15 p-type semiconductor base layer 16, 17 n-type semiconductor source region 18 gate insulating film 19 gate electrode 20 interlayer insulating film 21 source electrode 22 Drain electrodes 31, 61, 75, 82, 92 Silicon nitride films 31a, 61b, 73a, 75a, 76a Openings 32, 62 Grooves 33, 64, 77, 84, 94 Trench 34, 63, 85, 95 庇 35a, 35b , 35c, 53a, 53b, 53c Silicon single crystal layers 36a, 36b, 36c Silicon polycrystalline body 37 Overgrowth portions 51, 71, 73, 76, 81, 83, 91, 93 Silicon oxide films 52a, 52b, 52c Facet 54 Cavity 70, 72, 74, 80, 90 Mask 86, 96 Gap

Claims (5)

シリコン基板の主面にシリコン窒化膜を形成する工程と、
前記シリコン窒化膜に開口を形成し、前記シリコン基板の主面を露出させる工程と、
前記開口を通して、前記シリコン基板をエッチングし、トレンチを形成する工程と、
前記トレンチの内面に選択的にシリコン単結晶層をエピタキシャル成長させ、前記トレンチを前記シリコン単結晶層で埋め込む工程と、
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a silicon nitride film on the main surface of the silicon substrate;
Forming an opening in the silicon nitride film and exposing a main surface of the silicon substrate;
Etching the silicon substrate through the opening to form a trench;
Selectively epitaxially growing a silicon single crystal layer on the inner surface of the trench and filling the trench with the silicon single crystal layer;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記トレンチを形成する工程は、異方性エッチングにより、溝を形成し、次に等方性エッチングにより、前記溝の内側面を後退させることにより行い、前記トレンチの開口面に前記シリコン窒化膜を庇として残置することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   The step of forming the trench is performed by forming a groove by anisotropic etching, and then retreating the inner surface of the groove by isotropic etching, and the silicon nitride film is formed on the opening surface of the trench. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is left as a bag. 前記トレンチを形成する工程は、等方性エッチングにより、溝を形成し、次に異方性エッチングにより、前記溝を深くすることにより行い、前記トレンチの開口面に前記シリコン窒化膜を庇として残置することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   The step of forming the trench is performed by forming a groove by isotropic etching and then deepening the groove by anisotropic etching, and leaving the silicon nitride film as a trough on the opening surface of the trench. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1. 前記シリコン基板の主面に前記シリコン窒化膜を形成する工程の次に、前記シリコン窒化膜上にシリコン酸化膜を形成し、前記開口は前記シリコン窒化膜および前記シリコン酸化膜に形成することを特徴とする請求項1乃至請求項3に記載の半導体装置の製造方法。   Following the step of forming the silicon nitride film on the main surface of the silicon substrate, a silicon oxide film is formed on the silicon nitride film, and the opening is formed in the silicon nitride film and the silicon oxide film. A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1. 前記シリコン基板上に第1のシリコン酸化膜を形成し、前記第1のシリコン酸化膜上に前記シリコン窒化膜を形成し、前記シリコン窒化膜上に第2のシリコン酸化膜を形成し、前記開口は前記シリコン窒化膜、前記第1の酸化膜および前記第2のシリコン酸化膜に形成することを特徴とする請求項1乃至請求項3に記載の半導体装置の製造方法。   Forming a first silicon oxide film on the silicon substrate; forming the silicon nitride film on the first silicon oxide film; forming a second silicon oxide film on the silicon nitride film; 4. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is formed on the silicon nitride film, the first oxide film, and the second silicon oxide film. 5.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014522568A (en) * 2011-06-08 2014-09-04 无錫華潤上華半導体有限公司 Method for forming a new PN junction with deep grooves
CN104576311A (en) * 2013-10-28 2015-04-29 上海华虹宏力半导体制造有限公司 Forming and filling method of trenches
JP2016039320A (en) * 2014-08-08 2016-03-22 ルネサスエレクトロニクス株式会社 Semiconductor device and method of manufacturing the same

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