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JP2018200919A - Semiconductor device and manufacturing method for the same - Google Patents

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JP2018200919A
JP2018200919A JP2017103592A JP2017103592A JP2018200919A JP 2018200919 A JP2018200919 A JP 2018200919A JP 2017103592 A JP2017103592 A JP 2017103592A JP 2017103592 A JP2017103592 A JP 2017103592A JP 2018200919 A JP2018200919 A JP 2018200919A
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紀之 須ケ原
Noriyuki Sugahara
紀之 須ケ原
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  • Formation Of Insulating Films (AREA)

Abstract

To provide a trench-gate semiconductor device capable of selectively and easily increasing a thickness of a gate insulation film at a bottom surface side of a trench.SOLUTION: A trench-gate semiconductor device includes: an ntype drift layer 2; p type base areas 3a, 3b arranged at an upper surface side of the drift layer 2; ntype source regions 4a, 4b arranged on upper parts of the base areas 3a, 3b; gate insulation films (61, 63) provided at least on the surface where the base areas 3a, 3b at a trench 12 side going through the source regions 4a, 4b and the base areas 3a, 3b are exposed; a trench bottom-embedded insulating film 62 which is provided so as to be brought into contact with the gate insulation films (61, 63) in the way that a lower part of the trench 12 is embedded, and is composed of a non-calcinated insulating film smaller in dielectric constant smaller than those of the gate insulation films (61, 63); a gate embedding electrode 7 embedded in an upper part of the trench bottom-embedded insulating film 62 in the trench 12 via the gate insulation films (61, 63); and a drain region 1 arranged at a lower surface side of the drift layer 2.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、トレンチゲート型の半導体装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a trench gate type semiconductor device and a manufacturing method thereof.

トレンチゲート型の半導体装置は、平面型に対してセルピッチの縮小によるオン抵抗の低減が期待できるが、トレンチの底面に高電界が発生し、ゲート絶縁膜の絶縁破壊によるブレークダウンが生じる懸念がある。   The trench gate type semiconductor device can be expected to reduce the on-resistance by reducing the cell pitch compared to the planar type, but there is a concern that a high electric field is generated at the bottom of the trench and breakdown due to dielectric breakdown of the gate insulating film may occur. .

そこで、トレンチの底部の耐圧を確保するために、トレンチの底面のゲート絶縁膜を厚くすることが検討されている。トレンチの底面のゲート絶縁膜を厚くする方法としては、トレンチの底面及び側面に酸化膜を形成した後に、トレンチの下部に誘電体微粒子を充填する方法が提案されている(特許文献2参照。)。また、高密度プラズマ化学気相成長(HDP−CVD)法によりトレンチの底面のみに酸化膜を堆積する方法が提案されている(特許文献3参照。)。   Therefore, in order to ensure the breakdown voltage at the bottom of the trench, it has been studied to increase the thickness of the gate insulating film on the bottom of the trench. As a method of increasing the thickness of the gate insulating film on the bottom surface of the trench, there has been proposed a method in which an oxide film is formed on the bottom surface and side surfaces of the trench and then dielectric particles are filled in the lower portion of the trench (see Patent Document 2). . In addition, a method of depositing an oxide film only on the bottom surface of a trench by a high density plasma chemical vapor deposition (HDP-CVD) method has been proposed (see Patent Document 3).

しかしながら、特許文献2に記載の方法では、トレンチに充填した誘電体微粒子の隙間が生じる課題がある。また、特許文献3に記載の方法では、HDP−CVD法によりトレンチの底面のみに酸化膜を形成することは実際的に困難である。   However, the method described in Patent Document 2 has a problem that gaps between dielectric fine particles filled in the trench are generated. Further, in the method described in Patent Document 3, it is actually difficult to form an oxide film only on the bottom surface of the trench by the HDP-CVD method.

特開2016−76553号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2006-76553 特許第4791723号Japanese Patent No. 4791723 特許第5243671号Japanese Patent No. 5243671

上記課題に鑑み、本発明は、トレンチの底面側のゲート絶縁膜の厚さを選択的に容易に厚くすることができるトレンチゲート型の半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a trench gate type semiconductor device and a method for manufacturing the same, in which the thickness of the gate insulating film on the bottom surface side of the trench can be selectively and easily increased.

本発明の一態様は、(a)第1導電型のドリフト層と、(b)ドリフト層の上面側に配置された第2導電型のベース領域と、(c)ベース領域の上部に配置され、ドリフト層よりも高不純物密度の第1導電型の第1主電極領域と、(d)第1主電極領域及びベース領域を貫通するトレンチ側面のベース領域が露出する表面に少なくとも設けられたゲート絶縁膜と、(e)トレンチの底面側にトレンチの下部を埋め込むようにゲート絶縁膜に接して設けられ、ゲート絶縁膜より比誘電率の小さい焼成絶縁膜からなるトレンチ底部埋込絶縁膜と、(f)トレンチ内のトレンチ底部埋込絶縁膜の上方にゲート絶縁膜を介して埋め込まれたゲート埋込電極と、(g)ドリフト層の下面側に配置された第2主電極領域とを備えることを特徴とする半導体装置であることを要旨とする。   One embodiment of the present invention includes (a) a first conductivity type drift layer, (b) a second conductivity type base region disposed on an upper surface side of the drift layer, and (c) an upper portion of the base region. A first conductive type first main electrode region having a higher impurity density than the drift layer, and (d) a gate provided at least on a surface exposing a base region on a side surface of the trench penetrating the first main electrode region and the base region An insulating film, and (e) a trench bottom buried insulating film made of a fired insulating film having a relative dielectric constant smaller than that of the gate insulating film, provided in contact with the gate insulating film so as to bury the lower portion of the trench on the bottom side of the trench, (F) a gate embedded electrode embedded via a gate insulating film above the trench bottom embedded insulating film in the trench, and (g) a second main electrode region disposed on the lower surface side of the drift layer. A semiconductor characterized by And summarized in that a location.

本発明の他の態様は、(a)第1導電型のドリフト層の上面側に第2導電型のベース領域を形成する工程と、(b)ベース領域を貫通するトレンチを形成する工程と、(c)トレンチの少なくとも側面にゲート絶縁膜を形成する工程と、(d)トレンチを埋めるように感光性樹脂膜を塗布する工程と、(e)塗布した感光性樹脂膜を途中まで露光してトレンチの下部に非感光領域を残存させる工程と、(f)感光した感光性樹脂膜を現像して選択的に除去する工程と、(g)残存した感光性樹脂膜を焼成して焼成絶縁膜からなるトレンチ底部埋込絶縁膜を形成する工程と、(h)トレンチ内のトレンチ底部埋込絶縁膜の上方にゲート絶縁膜を介してゲート埋込電極を埋め込む工程と、(i)ベース領域の上部に、ドリフト層よりも高不純物密度の第1導電型の第1主電極領域を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法であることを要旨とする。   In another aspect of the present invention, (a) a step of forming a second conductivity type base region on the upper surface side of the first conductivity type drift layer, (b) a step of forming a trench penetrating the base region, (C) forming a gate insulating film on at least the side surface of the trench; (d) applying a photosensitive resin film so as to fill the trench; and (e) exposing the applied photosensitive resin film halfway. A step of leaving a non-photosensitive region under the trench; (f) a step of developing and selectively removing the exposed photosensitive resin film; and (g) a baking insulating film by baking the remaining photosensitive resin film. Forming a trench bottom buried insulating film comprising: (h) burying a gate buried electrode via a gate insulating film above the trench bottom buried insulating film in the trench; and (i) forming a base region Higher impurity density at the top than the drift layer And summarized in that a method of manufacturing a semiconductor device which comprises a step of forming a first main electrode region of the first conductivity type.

本発明の他の態様は、(a)第1導電型のドリフト層の上面側に第2導電型のベース領域を形成する工程と、(b)ベース領域を貫通するトレンチを形成する工程と、(c)トレンチを埋めるように感光性樹脂膜を塗布する工程と、(d)塗布した感光性樹脂膜を途中まで露光してトレンチの下部に非感光領域を残存させる工程と、(e)感光した感光性樹脂膜を現像して選択的に除去する工程と、(f)残存した感光性樹脂膜を焼成して焼成絶縁膜からなるトレンチ底部埋込絶縁膜を形成する工程と、(g)トレンチの少なくとも側面にゲート絶縁膜を形成する工程と、(h)トレンチ内のトレンチ底部埋込絶縁膜の上方にゲート絶縁膜を介してゲート埋込電極を埋め込む工程と、(i)ベース領域の上部に、ドリフト層よりも高不純物密度の第1導電型の第1主電極領域を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。   In another aspect of the present invention, (a) a step of forming a second conductivity type base region on the upper surface side of the first conductivity type drift layer, (b) a step of forming a trench penetrating the base region, (C) a step of applying a photosensitive resin film so as to fill the trench, (d) a step of exposing the applied photosensitive resin film halfway to leave a non-photosensitive region below the trench, and (e) photosensitivity. (G) a step of developing and selectively removing the photosensitive resin film, and (f) baking the remaining photosensitive resin film to form a trench bottom embedded insulating film made of the fired insulating film; Forming a gate insulating film on at least a side surface of the trench; (h) embedding a buried gate electrode through the gate insulating film above the trench bottom buried insulating film in the trench; and (i) forming a base region Higher impurity density at the top than the drift layer The method of manufacturing a semiconductor device which comprises a step of forming a first main electrode region of the first conductivity type.

本発明によれば、トレンチの底面側のゲート絶縁膜の厚さを選択的に容易に厚くすることができるトレンチゲート型の半導体装置及びその製造方法を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a trench gate type semiconductor device and a method for manufacturing the same, in which the thickness of the gate insulating film on the bottom surface side of the trench can be selectively and easily increased.

本発明の実施形態に係る半導体装置の一例を示す要部断面図である。It is principal part sectional drawing which shows an example of the semiconductor device which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を説明するための工程断面図である。It is process sectional drawing for demonstrating an example of the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を説明するための図2に引き続く工程断面図である。FIG. 3 is a process cross-sectional view subsequent to FIG. 2 for illustrating an example of the method for manufacturing the semiconductor device according to the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を説明するための図3に引き続く工程断面図である。FIG. 4 is a process cross-sectional view subsequent to FIG. 3 for describing an example of the method for manufacturing the semiconductor device according to the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を説明するための図4に引き続く工程断面図である。FIG. 5 is a process cross-sectional view subsequent to FIG. 4 for illustrating an example of the method for manufacturing the semiconductor device according to the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を説明するための図5に引き続く工程断面図である。FIG. 6 is a process cross-sectional view subsequent to FIG. 5 for illustrating an example of the method for manufacturing the semiconductor device according to the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を説明するための図6に引き続く工程断面図である。FIG. 7 is a process cross-sectional view subsequent to FIG. 6 for illustrating an example of the method for manufacturing the semiconductor device according to the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を説明するための図7に引き続く工程断面図である。FIG. 8 is a process cross-sectional view subsequent to FIG. 7 for illustrating the exemplary method for manufacturing the semiconductor device according to the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を説明するための図8に引き続く工程断面図である。FIG. 9 is a process cross-sectional view subsequent to FIG. 8 for describing an example of the method for manufacturing the semiconductor device according to the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を説明するための図9に引き続く工程断面図である。FIG. 10 is a process cross-sectional view subsequent to FIG. 9 for describing an example of the method for manufacturing the semiconductor device according to the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を説明するための図10に引き続く工程断面図である。FIG. 11 is a process cross-sectional view subsequent to FIG. 10 for illustrating an example of the method for manufacturing the semiconductor device according to the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の第1の変形例に係る半導体装置の一例を示す要部断面図である。It is principal part sectional drawing which shows an example of the semiconductor device which concerns on the 1st modification of embodiment of this invention. 本発明の実施形態の第2の変形例に係る半導体装置の一例を示す要部断面図である。It is principal part sectional drawing which shows an example of the semiconductor device which concerns on the 2nd modification of embodiment of this invention. 本発明の実施形態の第3の変形例に係る半導体装置の一例を示す要部断面図である。It is principal part sectional drawing which shows an example of the semiconductor device which concerns on the 3rd modification of embodiment of this invention. 本発明のその他の実施形態に係る半導体装置の一例を示す要部断面図である。It is principal part sectional drawing which shows an example of the semiconductor device which concerns on other embodiment of this invention. 本発明のその他の実施形態に係る半導体装置の他の一例を示す要部断面図である。It is principal part sectional drawing which shows another example of the semiconductor device which concerns on other embodiment of this invention. 本発明のその他の実施形態に係る半導体装置の他の一例を示す要部断面図である。It is principal part sectional drawing which shows another example of the semiconductor device which concerns on other embodiment of this invention.

以下において、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。以下の説明で参照する図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings referred to in the following description, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.

本明細書において、「第1主電極領域」とは、電界効果トランジスタ(FET)や静電誘導トランジスタ(SIT)においてソース領域又はドレイン領域のいずれか一方となる半導体領域を意味する。絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)においてはエミッタ領域又はコレクタ領域のいずれか一方となる半導体領域を、静電誘導サイリスタ(SIサイリスタ)やゲートターンオフサイリスタ(GTO)においてはアノード領域又はカソード領域のいずれか一方となる半導体領域を意味する。「第2主電極領域」とは、FETやSITにおいては上記第1主電極領域とはならないソース領域又はドレイン領域のいずれか一方となる半導体領域を、IGBTにおいては上記第1主電極領域とはならないエミッタ領域又はコレクタ領域のいずれか一方となる領域を、SIサイリスタやGTOにおいては上記第1主電極領域とはならないアノード領域又はカソード領域のいずれか一方となる領域を意味する。即ち、「第1主電極領域」がソース領域であれば、「第2主電極領域」はドレイン領域を意味する。「第1主電極領域」がエミッタ領域であれば、「第2主電極領域」はコレクタ領域を意味する。「第1主電極領域」がアノード領域であれば、「第2主電極領域」はカソード領域を意味する。   In the present specification, the “first main electrode region” means a semiconductor region that is either a source region or a drain region in a field effect transistor (FET) or a static induction transistor (SIT). In an insulated gate bipolar transistor (IGBT), a semiconductor region that is either an emitter region or a collector region is used. In an electrostatic induction thyristor (SI thyristor) or a gate turn-off thyristor (GTO), either an anode region or a cathode region is used. It means a semiconductor region that becomes one side. The “second main electrode region” refers to a semiconductor region that is either a source region or a drain region that is not the first main electrode region in the FET or SIT, and the first main electrode region in the IGBT. The region that becomes either the emitter region or the collector region that does not become a region means the region that becomes either the anode region or the cathode region that does not become the first main electrode region in the SI thyristor or GTO. That is, if the “first main electrode region” is the source region, the “second main electrode region” means the drain region. If the “first main electrode region” is an emitter region, the “second main electrode region” means a collector region. If the “first main electrode region” is an anode region, the “second main electrode region” means a cathode region.

以下の実施形態の説明では、第1導電型がn型、第2導電型がp型の場合について例示的に説明するが、導電型を逆の関係に選択して、第1導電型をp型、第2導電型をn型としても構わない。また、本明細書及び添付図面においては、nやpに上付き文字で付す+及び−は、+及び−の付記されていない半導体領域に比してそれぞれ相対的に不純物濃度が高い又は低い半導体領域であることを意味する。更に、以下の説明で「第1導電型」及び「第2導電型」の限定を加えた部材や領域は、特に明示の限定がなくても半導体材料からなる部材や領域を意味していることは、技術的にも論理的にも自明である。   In the following description of the embodiment, the case where the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type will be exemplarily described. However, the conductivity type is selected in the reverse relationship, and the first conductivity type is p. The type and the second conductivity type may be n-type. Further, in this specification and the accompanying drawings, + and − attached to superscripts of n and p are semiconductors whose impurity concentration is relatively higher or lower than that of a semiconductor region where + and − are not added. Means an area. Furthermore, in the following description, the members and regions to which the “first conductivity type” and the “second conductivity type” are added mean members and regions made of a semiconductor material without any particular limitation. Is obvious both technically and logically.

更に、以下の説明において「上面」「下面」等の「上」「下」の定義は、図示した断面図上の単なる表現上の問題であって、例えば、半導体装置の方位を90°変えて観察すれば「上」「下」の呼称は、「左」「右」になり、180°変えて観察すれば「上」「下」の呼称の関係は逆になることは勿論である。   Furthermore, in the following description, the definitions of “upper” and “lower” such as “upper surface” and “lower surface” are merely representational problems on the illustrated cross-sectional view. For example, the orientation of the semiconductor device is changed by 90 °. Observing, the names “upper” and “lower” become “left” and “right”, and if the observation is changed by 180 °, the relationship between the names “upper” and “lower” is of course reversed.

<半導体装置の構造>
本発明の実施形態に係る半導体装置としてトレンチゲートを有する絶縁ゲート型FET(MISFET)を説明する。本発明の実施形態に係る半導体装置は、図1に示すように、第1導電型(n型)のドリフト層2と、ドリフト層2の上面側に配置された第2導電型(p型)のベース領域3a,3bと、ベース領域3a,3bの上部に配置され、ドリフト層2よりも高不純物密度の第1導電型(n型)の第1主電極領域(ソース領域)4a,4bとを備える。
<Structure of semiconductor device>
An insulated gate FET (MISFET) having a trench gate will be described as a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the semiconductor device according to the embodiment of the present invention includes a first conductivity type (n type) drift layer 2 and a second conductivity type (p type) arranged on the upper surface side of the drift layer 2. ) Base regions 3a and 3b, and a first main electrode region (source region) 4a of the first conductivity type (n + type) having a higher impurity density than the drift layer 2 and disposed above the base regions 3a and 3b. 4b.

ベース領域3a,3bの上部には、ソース領域4a,4bに接するようにベース領域3a,3bよりも高不純物密度の第2導電型(p型)のベースコンタクト領域5a,5bが設けられている。ソース領域4a,4bの上面からドリフト層2に至るようにソース領域4a,4b及びベース領域3a,3bを貫通してトレンチ12が設けられている。トレンチ12の底面及び側面にはゲート絶縁膜(61,63)が設けられ、トレンチ12内にゲート絶縁膜(61,63)を介してゲート埋込電極7が埋め込まれている。 Above the base regions 3a and 3b, second contact type (p + -type) base contact regions 5a and 5b having a higher impurity density than the base regions 3a and 3b are provided so as to be in contact with the source regions 4a and 4b. Yes. A trench 12 is provided through the source regions 4a and 4b and the base regions 3a and 3b so as to reach the drift layer 2 from the upper surfaces of the source regions 4a and 4b. Gate insulating films (61, 63) are provided on the bottom and side surfaces of the trench 12, and the buried gate electrode 7 is embedded in the trench 12 via the gate insulating film (61, 63).

ゲート埋込電極7上には層間絶縁膜8を介して第1主電極(ソース電極)9が紙面の奥に位置するゲート表面電極(図示省略)と分離して配置されている。ソース電極9は、ソース領域4a,4b及びベースコンタクト領域5a,5bに接する。ドリフト層2の下面側には、ドリフト層2に接するように第2導電型(n型)の第2主電極領域(ドレイン領域)1が配置されている。本発明の実施形態に係る半導体装置は、図1に示した構造を単位セル構造として備え、この単位セル構造が周期的に複数個配列されてマルチチャネル構造をなす。 On the gate buried electrode 7, a first main electrode (source electrode) 9 is disposed separately from a gate surface electrode (not shown) located at the back of the paper surface via an interlayer insulating film 8. The source electrode 9 is in contact with the source regions 4a and 4b and the base contact regions 5a and 5b. On the lower surface side of the drift layer 2, a second main electrode region (drain region) 1 of the second conductivity type (n + type) is disposed so as to be in contact with the drift layer 2. The semiconductor device according to the embodiment of the present invention includes the structure shown in FIG. 1 as a unit cell structure, and a plurality of the unit cell structures are periodically arranged to form a multichannel structure.

本発明の実施形態においては、ドレイン領域1は炭化珪素(SiC)からなる半導体基板(SiC基板)で構成され、ドリフト層2はSiCからなるエピタキシャル層(SiC層)で構成されるものとする。ドレイン領域1及びドリフト層2としては、SiCの他にもシリコン(Si)や、窒化ガリウム(GaN)、ダイヤモンド又は窒化アルミニウム(AlN)等のSiの禁制帯幅1.1eVよりも広い半導体材料がそれぞれ使用可能である。室温における禁制帯幅は3C−SiCでは2.23eV、4H−SiCでは3.26eV、6H−SiCでは3.02eV、GaNでは3.4eV、ダイヤモンドでは5.5eV、AlNでは6.2eVの値が報告されている。禁制帯幅が2.0eV以上のワイドバンドギャップ半導体がドレイン領域1及びドリフト層2等として使用可能であるが、LED等では2.5eV以上の禁制帯幅を「ワイドバンドギャップ」として定義される場合が多い。本発明ではワイドバンドギャップ半導体の禁制帯幅を、3C−SiCの室温における禁制帯幅2.23eVを基準として説明する。   In the embodiment of the present invention, the drain region 1 is composed of a semiconductor substrate (SiC substrate) made of silicon carbide (SiC), and the drift layer 2 is made of an epitaxial layer (SiC layer) made of SiC. As the drain region 1 and the drift layer 2, in addition to SiC, a semiconductor material wider than the forbidden band width 1.1 eV of Si, such as silicon (Si), gallium nitride (GaN), diamond, or aluminum nitride (AlN), is used. Each can be used. The band gap at room temperature is 2.23 eV for 3C-SiC, 3.26 eV for 4H-SiC, 3.02 eV for 6H-SiC, 3.4 eV for GaN, 5.5 eV for diamond, and 6.2 eV for AlN. It has been reported. A wide bandgap semiconductor with a forbidden band width of 2.0 eV or more can be used as the drain region 1 and the drift layer 2, but a forbidden band width of 2.5 eV or more is defined as a “wide bandgap” in an LED or the like. There are many cases. In the present invention, the forbidden band width of the wide band gap semiconductor will be described with reference to the forbidden band width of 2.23 eV of 3C-SiC at room temperature.

ソース領域4a,4b及びベース領域3a,3bを深さ方向に貫通するトレンチ12は、その底部がドリフト層2に到達する。トレンチ12の幅は例えば0.5μm〜1μm程度、トレンチ12の深さは例えば1μm〜2μm程度が、本発明の効果を奏する上で好ましい。しかし本発明のトレンチ12の幅や深さがこれらの値に限定されるものではないことは、以下の説明から理解できるであろう。図1ではトレンチ12の底面が曲面である場合を例示するが、トレンチ12の底面が平面であってもよい。トレンチ12の底部の電界集中を緩和するために、トレンチ12の底部にp型のウェル領域(図示省略)が配置されていてもよい。本発明の実施形態においては、平面パターン上、各単位セル構造のトレンチ12がストライプ状に配列されているものとするが、これに限定されない。例えばトレンチ12が矩形の平面パターンや六角形等の多角形の平面パターンを有していてもよい。   The bottom of the trench 12 that penetrates the source regions 4 a and 4 b and the base regions 3 a and 3 b in the depth direction reaches the drift layer 2. The width of the trench 12 is preferably about 0.5 μm to 1 μm, for example, and the depth of the trench 12 is preferably about 1 μm to 2 μm, for example. However, it will be understood from the following description that the width and depth of the trench 12 of the present invention are not limited to these values. Although FIG. 1 illustrates the case where the bottom surface of the trench 12 is a curved surface, the bottom surface of the trench 12 may be a flat surface. In order to alleviate electric field concentration at the bottom of the trench 12, a p-type well region (not shown) may be disposed at the bottom of the trench 12. In the embodiment of the present invention, the trenches 12 of each unit cell structure are arranged in a stripe pattern on the plane pattern, but the present invention is not limited to this. For example, the trench 12 may have a rectangular planar pattern or a polygonal planar pattern such as a hexagon.

ゲート絶縁膜(61,63)厚さは例えば20nm〜150nm程度である。ゲート絶縁膜(61,63)は、トレンチ12の側面側に第1ゲート絶縁膜61と第2ゲート絶縁膜63の積層構造で構成されている。トレンチ12の底部にかかる電界強度を十分に抑制するためには、トレンチ12の底面側の絶縁膜の厚さをトレンチ12の側面側よりも例えば5倍以上厚くすることが好ましい。このため、トレンチ12の底部においては、第1ゲート絶縁膜61と第2ゲート絶縁膜63の間に焼成絶縁膜からなるトレンチ底部埋込絶縁膜62が挟み込まれている。   The thickness of the gate insulating film (61, 63) is, for example, about 20 nm to 150 nm. The gate insulating films (61, 63) have a laminated structure of the first gate insulating film 61 and the second gate insulating film 63 on the side surface side of the trench 12. In order to sufficiently suppress the electric field strength applied to the bottom of the trench 12, it is preferable that the thickness of the insulating film on the bottom surface side of the trench 12 is, for example, 5 times or more thicker than the side surface side of the trench 12. Therefore, at the bottom of the trench 12, the trench bottom buried insulating film 62 made of a fired insulating film is sandwiched between the first gate insulating film 61 and the second gate insulating film 63.

すなわち、トレンチ12の底部には、第1ゲート絶縁膜61、トレンチ底部埋込絶縁膜62及び第2ゲート絶縁膜63の3層構造のトレンチ内誘電体膜(61,62,63)を構成して、トレンチ12の底部にかかる電界強度を抑制している。このためトレンチ12の底部の3層構造の絶縁膜の厚さは、例えば100nm〜750nm程度となるが、トレンチ12が深い場合には750nm程度以上でもかまわない。   That is, a trench inner dielectric film (61, 62, 63) having a three-layer structure including a first gate insulating film 61, a trench bottom buried insulating film 62, and a second gate insulating film 63 is formed at the bottom of the trench 12. Thus, the electric field strength applied to the bottom of the trench 12 is suppressed. For this reason, the thickness of the insulating film having a three-layer structure at the bottom of the trench 12 is, for example, about 100 nm to 750 nm, but may be about 750 nm or more when the trench 12 is deep.

第1ゲート絶縁膜61は、トレンチ12の底面及び側面に連続して設けられ、トレンチ底部埋込絶縁膜62の下面側でトレンチ12の底面に接する。第1ゲート絶縁膜61は、トレンチ12の側面のベース領域3a,3bが露出する表面の位置からトレンチ12の底面までを含む、トレンチ12の内面の全面に設けられている。トレンチ底部埋込絶縁膜62は、第1ゲート絶縁膜61及び第2ゲート絶縁膜63に接してトレンチ12の下部に埋め込まれている。第2ゲート絶縁膜63は、第1ゲート絶縁膜61の上面に、トレンチ12の側面のベース領域3a,3bが露出する表面の位置からトレンチ底部埋込絶縁膜62の上面にまで延長して設けられている。第2ゲート絶縁膜63は、トレンチ底部埋込絶縁膜62の上面を被覆し、ゲート埋込電極7に接している。   The first gate insulating film 61 is continuously provided on the bottom surface and side surfaces of the trench 12, and is in contact with the bottom surface of the trench 12 on the lower surface side of the trench bottom embedded insulating film 62. The first gate insulating film 61 is provided on the entire inner surface of the trench 12 including the position of the surface where the base regions 3 a and 3 b on the side surfaces of the trench 12 are exposed to the bottom surface of the trench 12. The trench bottom buried insulating film 62 is buried under the trench 12 in contact with the first gate insulating film 61 and the second gate insulating film 63. The second gate insulating film 63 is provided on the upper surface of the first gate insulating film 61 so as to extend from the position of the surface where the base regions 3a and 3b on the side surfaces of the trench 12 are exposed to the upper surface of the trench bottom buried insulating film 62. It has been. The second gate insulating film 63 covers the upper surface of the trench bottom buried insulating film 62 and is in contact with the gate buried electrode 7.

第1ゲート絶縁膜61及び第2ゲート絶縁膜63としては、シリコン酸化膜(SiO膜)の他、SiO膜より比誘電率の大きなストロンチウム酸化物(SrO)膜、シリコン窒化物(Si)膜、アルミニウム酸化物(Al)膜、マグネシウム酸化物(MgO)膜、イットリウム酸化物(Y)膜、ハフニウム酸化物(HfO)膜、ジルコニウム酸化物(ZrO)膜、タンタル酸化物(Ta)膜、ビスマス酸化物(Bi)膜のいずれか1つの単層膜或いはこれらの複数を積層した複合膜等が採用可能である。第1ゲート絶縁膜61及び第2ゲート絶縁膜63は、互いに同一の材料で構成されていてもよく、互いに異なる材料で構成されていてもよい。 As the first gate insulating film 61 and the second gate insulating film 63, in addition to the silicon oxide film (SiO 2 film), a strontium oxide (SrO) film having a relative dielectric constant larger than that of the SiO 2 film, silicon nitride (Si 3) N 4 ) film, aluminum oxide (Al 2 O 3 ) film, magnesium oxide (MgO) film, yttrium oxide (Y 2 O 3 ) film, hafnium oxide (HfO 2 ) film, zirconium oxide (ZrO 2) ) Film, a tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) film, a bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) film, a single layer film, or a composite film in which a plurality of these layers are stacked can be employed. The first gate insulating film 61 and the second gate insulating film 63 may be made of the same material, or may be made of different materials.

第1ゲート絶縁膜61及び第2ゲート絶縁膜63のそれぞれの厚さは例えば10nm〜75nm程度である。第1ゲート絶縁膜61の厚さは、第2ゲート絶縁膜63の厚さと同一であってもよく、第1ゲート絶縁膜61の厚さが第2ゲート絶縁膜63よりも厚くても又は薄くてもよい。第1ゲート絶縁膜61の厚さを第2ゲート絶縁膜63よりも厚くする場合は、第1ゲート絶縁膜61の厚さを例えば15nm〜100nm程度にしてもよい。   Each thickness of the first gate insulating film 61 and the second gate insulating film 63 is, for example, about 10 nm to 75 nm. The thickness of the first gate insulating film 61 may be the same as the thickness of the second gate insulating film 63, and the first gate insulating film 61 may be thicker or thinner than the second gate insulating film 63. May be. When the thickness of the first gate insulating film 61 is thicker than that of the second gate insulating film 63, the thickness of the first gate insulating film 61 may be about 15 nm to 100 nm, for example.

トレンチ底部埋込絶縁膜62は、感光性樹脂膜(感光性樹脂溶液)を焼成してなる焼成絶縁膜である。感光性樹脂膜としては、スピンコート法等で塗布可能であり、ポジ型の感光性を有し、焼成することで絶縁膜となる材料が使用可能である。感光性樹脂膜としては、例えば「スピンオングラス(SOG)膜」と呼ばれる感光性塗布ガラス膜が使用可能である。塗布ガラス膜の成分となるSOG液は、塗布ガラス膜となるシロキサン成分と溶媒としてのアルコール成分などから調整される。この溶液をスピンコート法等により基板上に塗布し、熱処理で溶媒などを蒸発させ、膜を硬化するとSOG絶縁膜が形成される。SOGとは、これら溶液と形成される膜の総称である。 SOGは、シロキサンの構造により、シリカガラス、アルキルシロキサンポリマー、アルキルシルセスキオキサンポリマー(MSQ)、水素化シルセスキオキサンポリマー(HSQ)、水素化アルキルシルセスキオキサンポリマー(HOSP)等に分類される。   The trench bottom buried insulating film 62 is a fired insulating film formed by firing a photosensitive resin film (photosensitive resin solution). As the photosensitive resin film, a material that can be applied by a spin coating method or the like, has positive photosensitivity, and becomes an insulating film when baked can be used. As the photosensitive resin film, for example, a photosensitive coated glass film called “spin-on-glass (SOG) film” can be used. The SOG liquid that is a component of the coated glass film is prepared from a siloxane component that is a coated glass film and an alcohol component as a solvent. When this solution is applied onto a substrate by spin coating or the like, the solvent is evaporated by heat treatment, and the film is cured, an SOG insulating film is formed. SOG is a general term for films formed with these solutions. SOG is classified into silica glass, alkylsiloxane polymer, alkylsilsesquioxane polymer (MSQ), hydrogenated silsesquioxane polymer (HSQ), hydrogenated alkylsilsesquioxane polymer (HOSP), etc., depending on the structure of siloxane. Is done.

本発明の実施形態に係るポジ型感光性樹脂膜は、例えば、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド(TMAH)水溶液に対する溶解速度が異なる少なくとも2種類以上のポリシロキサン、ジアゾナフトキノン誘導体、光酸発生剤、及び溶剤を含有するポジ型感光性シロキサン組成物等が好ましい。高い耐熱性を有するポリシロキサンとして、架橋点としてシラノール基を有するシルセスキオキサン等が好ましい。シラノール基は加熱によってシロキサン結合を形成して高い耐熱性を付与することができる。シルセスキオキサンは低温硬化及びパターンの安定性に優れている。籠型及びラダー型と呼ばれるシルセスキオキサンは、クラック耐性が高い。一般に、籠型シルセスキオキサン及びラダー型シルセスキオキサンは、フリーのシラノール基が少ないためアルカリ現像液に対する溶解性が低い。従って、本発明の実施形態に係るポジ型感光性樹脂膜としては、例えばアルカリ現像液に対する溶解性が低いシロキサンとアルカリ現像液に対する溶解性が高いシロキサンとを組み合わせて使用することが可能である。   The positive photosensitive resin film according to the embodiment of the present invention includes, for example, at least two kinds of polysiloxanes, diazonaphthoquinone derivatives, photoacid generators, and solvents having different dissolution rates in an aqueous solution of tetramethylammonium hydroxide (TMAH). A positive-type photosensitive siloxane composition containing is preferred. As the polysiloxane having high heat resistance, silsesquioxane having a silanol group as a crosslinking point is preferable. The silanol group can impart high heat resistance by forming a siloxane bond by heating. Silsesquioxane is excellent in low-temperature curing and pattern stability. Silsesquioxanes called saddle type and ladder type have high crack resistance. Generally, saddle-type silsesquioxanes and ladder-type silsesquioxanes have low solubility in an alkaline developer because they have few free silanol groups. Therefore, as the positive photosensitive resin film according to the embodiment of the present invention, it is possible to use, for example, a combination of siloxane having low solubility in an alkali developer and siloxane having high solubility in an alkali developer.

トレンチ底部埋込絶縁膜62は、熱酸化法又は化学気相成長法等により形成される第1ゲート絶縁膜61及び第2ゲート絶縁膜63よりも膜密度が低く、機械的強度が弱い。熱酸化膜の比誘電率は3.5〜4.2程度であるが、SOG膜の比誘電率を2.1〜3.0程度とすることができるので、トレンチ底部埋込絶縁膜62を構成している焼成絶縁膜の比誘電率は第1ゲート絶縁膜61及び第2ゲート絶縁膜63よりも低い。トレンチ底部埋込絶縁膜62がSOG膜の焼成絶縁膜である場合、トレンチ底部埋込絶縁膜62の弾性率を6GPa〜15GPa程度、硬度を0.7GPa〜1.5GPa程度とすることができる。またトレンチ底部埋込絶縁膜62がSOG膜の焼成絶縁膜である場合、透過型電子顕微鏡(TEM)像の観察からは2nm〜10nm程度の微少空孔がほぼ均一に分散している。 The trench bottom buried insulating film 62 has a lower film density and lower mechanical strength than the first gate insulating film 61 and the second gate insulating film 63 formed by thermal oxidation or chemical vapor deposition. The relative dielectric constant of the thermal oxide film is about 3.5 to 4.2, but the relative dielectric constant of the SOG film can be about 2.1 to 3.0. The relative dielectric constant of the fired insulating film is lower than that of the first gate insulating film 61 and the second gate insulating film 63. When the trench bottom buried insulating film 62 is a fired insulating film of an SOG film, the trench bottom buried insulating film 62 can have an elastic modulus of about 6 GPa to 15 GPa and a hardness of about 0.7 GPa to 1.5 GPa. In addition, when the trench bottom buried insulating film 62 is a fired insulating film of an SOG film, microscopic vacancies of about 2 nm to 10 nm are almost uniformly dispersed from observation of a transmission electron microscope (TEM) image.

トレンチ底部埋込絶縁膜62の上面はSOG膜を焼成する前は露光光の透過距離が一定であるので、平坦であるが、絶縁膜を焼成することにより下側に凸となる。一方、トレンチ12の底部の断面形状が下側に凸となる形状であるので、トレンチ底部埋込絶縁膜62は、その上面及び下面が下側に凸となる曲面を有する三日月形の端面形状を有する。トレンチ底部埋込絶縁膜62の厚さは、トレンチ12の幅方向において中央部が最も厚く、中央部から離れるにつれて薄くなっている。トレンチ12の幅方向の中央部におけるトレンチ底部埋込絶縁膜62の厚さは例えば80nm〜730nm程度であり、露光時の光量を調整することにより適宜、露光光の透過深さを設定して焼成絶縁膜からなるトレンチ底部埋込絶縁膜62の厚さを調整可能である。ただし、トレンチ12が深い場合等であれば730nm程度以上でもかまわない。   The upper surface of the trench bottom buried insulating film 62 is flat because the transmission distance of the exposure light is constant before baking the SOG film, but becomes convex downward by baking the insulating film. On the other hand, since the cross-sectional shape of the bottom of the trench 12 is convex downward, the trench bottom embedded insulating film 62 has a crescent-shaped end surface shape having a curved surface whose upper and lower surfaces are convex downward. Have. The thickness of the trench bottom buried insulating film 62 is the thickest at the center in the width direction of the trench 12 and becomes thinner as the distance from the center is increased. The thickness of the trench bottom embedded insulating film 62 at the center in the width direction of the trench 12 is, for example, about 80 nm to 730 nm, and the exposure light transmission depth is appropriately set by adjusting the amount of light at the time of exposure. The thickness of the trench bottom embedded insulating film 62 made of an insulating film can be adjusted. However, if the trench 12 is deep, etc., it may be about 730 nm or more.

ゲート埋込電極7は、トレンチ12内のトレンチ底部埋込絶縁膜62の上方(上面側)に第1ゲート絶縁膜61及び第2ゲート絶縁膜63を介して設けられている。ゲート埋込電極7の材料としては、例えばn型不純物を添加したポリシリコン層(ドープドポリシリコン層)が使用可能である。ソース電極9及びゲート表面電極の材料としては、例えばアルミニウム(Al)や、Al−Si、Al−銅(Cu)、Al−Cu−Si等のAl合金が使用可能である。ドレイン電極10としては、例えば金(Au)からなる単層膜や、Al、ニッケル(Ni)、Auの順で積層された金属膜が使用可能であり、更にその最下層にモリブデン(Mo)、タングステン(W)等の金属板を積層してもよい。   The gate buried electrode 7 is provided above the trench bottom buried insulating film 62 in the trench 12 (on the upper surface side) via the first gate insulating film 61 and the second gate insulating film 63. As a material of the buried gate electrode 7, for example, a polysilicon layer (doped polysilicon layer) to which an n-type impurity is added can be used. As a material of the source electrode 9 and the gate surface electrode, for example, aluminum (Al), Al alloy such as Al-Si, Al-copper (Cu), Al-Cu-Si can be used. As the drain electrode 10, for example, a single layer film made of gold (Au) or a metal film laminated in the order of Al, nickel (Ni), Au can be used, and molybdenum (Mo), A metal plate such as tungsten (W) may be laminated.

本発明の実施形態に係る半導体装置の動作としては、ドレイン電極10に正電圧を印加し、ゲート埋込電極7に閾値以上の正電圧を印加すると、ベース領域3a,3bのゲート埋込電極7側に反転層(チャネル)が形成されてオン状態となる。オン状態では、ドレイン電極10からドレイン領域1、ドリフト層2、ベース領域3a,3bの反転層及びソース領域4a,4bを経由してソース電極9へ電流が流れる。一方、ゲート埋込電極7に印加される電圧が閾値未満の場合、ベース領域3a,3bに反転層が形成されないため、オフ状態となり、ドレイン電極10からソース電極9へ電流が流れない。   As an operation of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention, when a positive voltage is applied to the drain electrode 10 and a positive voltage higher than the threshold is applied to the gate buried electrode 7, the gate buried electrode 7 in the base regions 3a and 3b is obtained. An inversion layer (channel) is formed on the side to be turned on. In the ON state, a current flows from the drain electrode 10 to the source electrode 9 through the drain region 1, the drift layer 2, the inversion layer of the base regions 3a and 3b, and the source regions 4a and 4b. On the other hand, when the voltage applied to the buried gate electrode 7 is less than the threshold value, the inversion layer is not formed in the base regions 3 a and 3 b, so that the inversion state occurs and no current flows from the drain electrode 10 to the source electrode 9.

本発明の実施形態に係る半導体装置によれば、トレンチ12の下部に埋め込んでいるトレンチ底部埋込絶縁膜62の厚さを調整してゲート埋込電極7の直下の誘電体膜の厚さを任意に選択することが容易である。ゲート埋込電極7の直下の誘電体膜の厚さを厚くすることにより、トレンチ12の底部の電界集中が緩和できるので、本発明の実施形態に係る半導体装置の耐圧を向上することができる。更に、トレンチ底部埋込絶縁膜62を挟むように第1ゲート絶縁膜61及び第2ゲート絶縁膜63を設けることにより、ゲート埋込電極7の周辺の誘電体膜(トレンチ内誘電体膜)の絶縁性や信頼性を向上させることができる。   In the semiconductor device according to the embodiment of the present invention, the thickness of the trench bottom buried insulating film 62 buried in the lower portion of the trench 12 is adjusted, and the thickness of the dielectric film immediately below the gate buried electrode 7 is adjusted. It is easy to select arbitrarily. By increasing the thickness of the dielectric film immediately below the buried gate electrode 7, the electric field concentration at the bottom of the trench 12 can be relaxed, so that the breakdown voltage of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention can be improved. Further, by providing the first gate insulating film 61 and the second gate insulating film 63 so as to sandwich the trench bottom buried insulating film 62, the dielectric film (dielectric film in the trench) around the gate buried electrode 7 is provided. Insulation and reliability can be improved.

<半導体装置の製造方法>
次に、図2〜図11を用いて、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を、トレンチゲート型MISFETの場合を一例に説明する。なお、以下に述べるトレンチゲート型MISFETの製造方法は一例であり、特許請求の範囲に記載した趣旨の範囲であれば、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。
<Method for Manufacturing Semiconductor Device>
Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Note that the method of manufacturing the trench gate type MISFET described below is an example, and can be realized by various other manufacturing methods including this modification as long as it is within the scope of the claims. Of course.

まず、窒素(N)等のn型不純物が添加されたn型の半導体基板(SiC基板)を用意する。このn型SiC基板をドレイン領域1として、ドレイン領域1の上面に、n型のドリフト層2をエピタキシャル成長させる。引き続き、ドリフト層2の上面側から、Al等のp型不純物イオンを多段イオン注入する。その後、熱処理を行うことにより注入されたp型イオンを活性化させ、図2に示すようにp型のベース領域3を形成する。なお、ベース領域3はドリフト層2の上面にエピタキシャル成長してもよい。 First, an n + type semiconductor substrate (SiC substrate) to which an n type impurity such as nitrogen (N) is added is prepared. Using this n + type SiC substrate as the drain region 1, an n type drift layer 2 is epitaxially grown on the upper surface of the drain region 1. Subsequently, multi-stage ion implantation of p-type impurity ions such as Al is performed from the upper surface side of the drift layer 2. Thereafter, the implanted p-type ions are activated by heat treatment to form a p-type base region 3 as shown in FIG. Note that the base region 3 may be epitaxially grown on the upper surface of the drift layer 2.

次に、ドリフト層2上にフォトレジスト膜11を塗布し、フォト・リソグラフィ技術を用いてフォトレジスト膜11をパターニングする。パターニングされたフォトレジスト膜11をマスクとして用いて、反応性イオンエッチング(RIE)等のドライエッチング等により、図3に示すように、ベース領域3a,3bを貫通してドリフト層2の上部に達するトレンチ12を選択的に形成する。その後、フォトレジスト膜11をウェット処理等で除去する。なお、ドリフト層2上に酸化膜を形成し、フォトレジスト膜によって酸化膜をパターニングした後、酸化膜をマスクとして用いてドライエッチングによりトレンチ12を形成してもよい。   Next, a photoresist film 11 is applied on the drift layer 2, and the photoresist film 11 is patterned using a photolithographic technique. Using the patterned photoresist film 11 as a mask, by dry etching such as reactive ion etching (RIE) or the like, it penetrates through the base regions 3a and 3b and reaches the upper part of the drift layer 2 as shown in FIG. The trench 12 is selectively formed. Thereafter, the photoresist film 11 is removed by wet processing or the like. Alternatively, after forming an oxide film on the drift layer 2 and patterning the oxide film with a photoresist film, the trench 12 may be formed by dry etching using the oxide film as a mask.

次に、図4に示すように、熱酸化法等により、トレンチ12の底面及び側面とベース領域3a,3bの上面に第1ゲート絶縁膜61を形成する。SiCを熱酸化してSiO膜を形成する場合、例えば酸素雰囲気中において1000℃程度で熱処理を行ってもよい。或いは、低圧CVD(LPCVD)法等により高温酸化膜(HTO膜)を第1ゲート絶縁膜61として堆積してもよい。 Next, as shown in FIG. 4, a first gate insulating film 61 is formed on the bottom and side surfaces of the trench 12 and the top surfaces of the base regions 3a and 3b by thermal oxidation or the like. When forming a SiO 2 film by thermally oxidizing SiC, for example, heat treatment may be performed at about 1000 ° C. in an oxygen atmosphere. Alternatively, a high temperature oxide film (HTO film) may be deposited as the first gate insulating film 61 by a low pressure CVD (LPCVD) method or the like.

次に、図5に示すように、第1ゲート絶縁膜61の上面に、感光性SOG液等の感光性樹脂膜(感光性樹脂溶液)62xをスピン塗布し、トレンチ12に充填させる。そして、熱処理(ベーキング)で感光性樹脂膜62xに含まれていた溶媒などを蒸発させる。更に、感光性樹脂膜62xをフォト・リソグラフィ技術によってパターニングする。即ち、感光性樹脂膜62xが感光する所定の波長の露光光を照射して感光性樹脂膜62xの全面を露光し、露光光の透過距離を選定して、感光性樹脂膜62xを途中まで露光してトレンチ12の下部に非感光領域を残存させる。感光性樹脂膜62xが紫外線に感光するのであれば、露光光としては、例えば、エキシマレーザーから出射される紫外線を採用できる。この際、露光光の光量を調整して露光光の透過距離を選択することにより、感光性樹脂膜62xが感光される深さを制御して、トレンチ12の下部に残存させる感光性樹脂膜62xの非感光領域厚さを制御する。露光光の光量を増加させるほど、露光光の透過距離が増大するので感光性樹脂膜62xが深く露光される。   Next, as shown in FIG. 5, a photosensitive resin film (photosensitive resin solution) 62 x such as a photosensitive SOG solution is spin-coated on the upper surface of the first gate insulating film 61 to fill the trench 12. And the solvent etc. which were contained in the photosensitive resin film 62x are evaporated by heat processing (baking). Further, the photosensitive resin film 62x is patterned by a photolithography technique. That is, the photosensitive resin film 62x is exposed to exposure light having a predetermined wavelength to expose the entire surface of the photosensitive resin film 62x, the transmission distance of the exposure light is selected, and the photosensitive resin film 62x is partially exposed. Thus, a non-photosensitive region is left below the trench 12. If the photosensitive resin film 62x is sensitive to ultraviolet rays, for example, ultraviolet rays emitted from an excimer laser can be adopted as the exposure light. At this time, by adjusting the amount of exposure light and selecting the transmission distance of the exposure light, the depth at which the photosensitive resin film 62x is exposed is controlled to leave the photosensitive resin film 62x remaining in the lower portion of the trench 12. Control the thickness of the non-photosensitive area. As the amount of exposure light is increased, the transmission distance of exposure light is increased, so that the photosensitive resin film 62x is deeply exposed.

その後、アルカリ水溶液等により現像すれば、感光した感光性樹脂膜62xが選択的に除去されて、現像後にトレンチ12の下部に非感光領域として感光性樹脂膜62xが残存する。すなわち、非感光領域である感光性樹脂膜62xがトレンチ12の深さ方向に選択的に残留するが、露光量を増加させるほど、非感光領域として残存する感光性樹脂膜62xの厚さは減少する。   Thereafter, when developed with an alkaline aqueous solution or the like, the photosensitive resin film 62x that has been exposed is selectively removed, and the photosensitive resin film 62x remains as a non-photosensitive region under the trench 12 after development. That is, the photosensitive resin film 62x which is the non-photosensitive region selectively remains in the depth direction of the trench 12, but the thickness of the photosensitive resin film 62x remaining as the non-photosensitive region decreases as the exposure amount is increased. To do.

現像後に図5に示した構造体を酸洗浄及び純粋洗浄をする。そして、例えばアルゴン(Ar)ガス等の不活性ガス雰囲気下、700℃〜900℃程度で30分間熱処理を行うことにより、感光性樹脂膜62x中の溶媒を揮発させ、感光性樹脂膜62xを焼成する。非感光領域として残存する感光性樹脂膜62xの上面は、焼成する前は露光光の透過距離が一定であるので、平坦であるが、絶縁膜を焼成することにより下側に凸となる断面形状になる。この結果、図6に示すように、トレンチ12の下部に焼成絶縁膜からなるトレンチ底部埋込絶縁膜62が形成される。トレンチ12の底部が下側に凸となる形状であるので、トレンチ底部埋込絶縁膜62は、その上面及び下面が下側に凸となる曲面を有する三日月形の断面形状になる。   After development, the structure shown in FIG. 5 is subjected to acid cleaning and pure cleaning. Then, for example, by performing a heat treatment at about 700 ° C. to 900 ° C. for 30 minutes in an inert gas atmosphere such as argon (Ar) gas, the solvent in the photosensitive resin film 62x is volatilized, and the photosensitive resin film 62x is baked. To do. The upper surface of the photosensitive resin film 62x remaining as a non-photosensitive region is flat because the transmission distance of the exposure light is constant before baking, but is a cross-sectional shape that protrudes downward by baking the insulating film become. As a result, as shown in FIG. 6, a trench bottom embedded insulating film 62 made of a fired insulating film is formed below the trench 12. Since the bottom of the trench 12 has a shape that protrudes downward, the trench bottom embedded insulating film 62 has a crescent-shaped cross-sectional shape having a curved surface whose upper and lower surfaces protrude downward.

次に、図7に示すように、LPCVD法等により、トレンチ12の側面及びトレンチ底部埋込絶縁膜62の上面に高温酸化膜(HTO膜)等の第2ゲート絶縁膜63を減圧CVD等で堆積して形成する。第2ゲート絶縁膜63は、トレンチ12の側面のベース領域3a,3bが露出する表面の位置からトレンチ底部埋込絶縁膜62の上面にまで延長されて、トレンチ底部埋込絶縁膜62を被覆する。第2ゲート絶縁膜63は、ベース領域3a,3bの上面に位置する第1ゲート絶縁膜61の上面にも堆積される。この結果、第1ゲート絶縁膜61、トレンチ底部埋込絶縁膜62及び第2ゲート絶縁膜63からなる積層構造のトレンチ内誘電体膜(61,62,63)が形成される。   Next, as shown in FIG. 7, a second gate insulating film 63 such as a high temperature oxide film (HTO film) is formed on the side surface of the trench 12 and the upper surface of the trench bottom buried insulating film 62 by LPCVD or the like by low pressure CVD or the like. Deposit to form. The second gate insulating film 63 extends from the position of the surface where the base regions 3 a and 3 b on the side surfaces of the trench 12 are exposed to the upper surface of the trench bottom buried insulating film 62 to cover the trench bottom buried insulating film 62. . The second gate insulating film 63 is also deposited on the upper surface of the first gate insulating film 61 located on the upper surfaces of the base regions 3a and 3b. As a result, an in-trench dielectric film (61, 62, 63) having a laminated structure including the first gate insulating film 61, the trench bottom buried insulating film 62, and the second gate insulating film 63 is formed.

次に、図8に示すように、CVD法等により、トレンチ内誘電体膜(61,62,63)を構成する第2ゲート絶縁膜63上にN等のn型不純物を添加したポリシリコン層(ドープドポリシリコン層)7xを堆積する。その後、ポリシリコン層7xをエッチバックすることにより、トレンチ12の内部にトレンチ内誘電体膜(61,62,63)を介してポリシリコン層7xを埋め込む。更に、指向性の高いドライエッチングにより、ポリシリコン層7xの上部を選択的に除去し、第2ゲート絶縁膜63を露出させる。そして、酸化膜とポリシリコンとのエッチング選択比を用いて、ベース領域3a,3bの上面側に露出した第1ゲート絶縁膜61及び第2ゲート絶縁膜63を選択的に除去するようにドライエッチングのエンドポイントを決定する。この結果、図9に示すように、ベース領域3a,3bの上面が露出する。   Next, as shown in FIG. 8, a polysilicon layer to which an n-type impurity such as N is added on the second gate insulating film 63 constituting the in-trench dielectric film (61, 62, 63) by CVD or the like. (Doped polysilicon layer) 7x is deposited. Thereafter, the polysilicon layer 7x is etched back to bury the polysilicon layer 7x in the trench 12 via the in-trench dielectric films (61, 62, 63). Further, the upper part of the polysilicon layer 7x is selectively removed by dry etching with high directivity to expose the second gate insulating film 63. Then, dry etching is performed so as to selectively remove the first gate insulating film 61 and the second gate insulating film 63 exposed on the upper surface side of the base regions 3a and 3b using the etching selection ratio between the oxide film and the polysilicon. Determine the endpoint. As a result, as shown in FIG. 9, the upper surfaces of the base regions 3a and 3b are exposed.

次に、ベース領域3a,3b上にフォトレジスト膜(図示省略)を塗布し、フォト・リソグラフィ技術を用いてフォトレジスト膜をパターニングする。パターニングされたフォトレジスト膜をマスクとして用いて、N等のn型不純物イオンを多段イオン注入する。これと同時に、ポリシリコン層7xにもイオン注入される。その後、フォトレジスト膜をウェット処理等で除去する。更に、ベース領域3a,3b上に新たなフォトレジスト膜(図示省略)を塗布し、フォト・リソグラフィ技術を用いてフォトレジスト膜をパターニングする。パターニングされたフォトレジスト膜をマスクとして用いて、Al等のp型不純物イオンを多段イオン注入する。この際、ポリシリコン層7xにp型不純物イオンがイオン注入されないように、ポリシリコン層7xの上をフォトレジスト膜でカバーしておいてもよい。その後、フォトレジスト膜をウェット処理等で除去する。引き続き、熱処理を行うことにより注入されたn型不純物及びp型不純物のイオンを活性化させ、図10に示すように、ベース領域3a,3bの上部にn型のソース領域4a,4b及びp型のベースコンタクト領域5a,5bを選択的に形成する。この熱処理工程においては、ポリシリコン層7xに注入されたn型不純物イオン等も活性化される。 Next, a photoresist film (not shown) is applied on the base regions 3a and 3b, and the photoresist film is patterned using a photolithographic technique. Using the patterned photoresist film as a mask, n-type impurity ions such as N are ion-implanted. At the same time, ions are implanted into the polysilicon layer 7x. Thereafter, the photoresist film is removed by wet processing or the like. Further, a new photoresist film (not shown) is applied on the base regions 3a and 3b, and the photoresist film is patterned using a photolithographic technique. Using the patterned photoresist film as a mask, multistage ion implantation of p-type impurity ions such as Al is performed. At this time, the polysilicon layer 7x may be covered with a photoresist film so that p-type impurity ions are not implanted into the polysilicon layer 7x. Thereafter, the photoresist film is removed by wet processing or the like. Subsequently, the implanted n-type impurity and p-type impurity ions are activated by heat treatment, and as shown in FIG. 10, n + -type source regions 4a, 4b and p are formed above the base regions 3a and 3b. + Type base contact regions 5a and 5b are selectively formed. In this heat treatment step, n-type impurity ions and the like implanted into the polysilicon layer 7x are also activated.

なお、ソース領域4a,4b及びp型のベースコンタクト領域5a,5bを形成する順序はこれに限定されない。例えば、図2に示したp型のベース領域3を形成する工程の後、図3に示したトレンチ12を形成する工程の前に、n型のソース領域4a,4bとなるn型領域及びp型のベースコンタクト領域5a,5bを形成してもよい。そして、ソース領域4a,4bとなるn型領域及びベース領域3を貫通するようにトレンチ12を形成してもよい。 The order of forming the source regions 4a and 4b and the p + type base contact regions 5a and 5b is not limited to this. For example, after the step of forming the p-type base region 3 shown in FIG. 2, before the step of forming the trench 12 shown in FIG. 3, n + -type source region 4a, n + -type region serving as 4b Also, p + -type base contact regions 5a and 5b may be formed. Then, the trench 12 may be formed so as to penetrate the n + -type region and the base region 3 to be the source regions 4a and 4b.

次に、CVD法等により、ゲート埋込電極7、ソース領域4a,4b及びp型のベースコンタクト領域5a,5b上にSiO膜等からなる層間絶縁膜8を堆積する。そして、層間絶縁膜8上にフォトレジスト膜13を塗布し、フォト・リソグラフィ技術を用いてフォトレジスト膜13をパターニングする。パターニングされたフォトレジスト膜13をマスクとして用いて、図11に示すように、ドライエッチングにより層間絶縁膜8をゲート埋込電極7上に残存するように選択的に除去してソースコンタクトホールを開孔する。図示を省略しているが、ソースコンタクトホールとは異なる箇所において、ゲート埋込電極7に接続されたゲート配線の一部が露出するように、ゲートコンタクトホールも層間絶縁膜8に開孔する。その後、フォトレジスト膜13をウェット処理等で除去する。 Next, an interlayer insulating film 8 made of a SiO 2 film or the like is deposited on the buried gate electrode 7, the source regions 4a and 4b, and the p + type base contact regions 5a and 5b by CVD or the like. Then, a photoresist film 13 is applied on the interlayer insulating film 8, and the photoresist film 13 is patterned using a photolithographic technique. Using the patterned photoresist film 13 as a mask, as shown in FIG. 11, the interlayer insulating film 8 is selectively removed so as to remain on the gate buried electrode 7 by dry etching to open a source contact hole. Make a hole. Although not shown, the gate contact hole is also opened in the interlayer insulating film 8 so that a part of the gate wiring connected to the buried gate electrode 7 is exposed at a location different from the source contact hole. Thereafter, the photoresist film 13 is removed by wet processing or the like.

次に、スパッタ法又は蒸着法等により、図12に示すように、ソース領域4a,4b及びp型のベースコンタクト領域5a,5bの上面にAl等からなる金属層を全面に堆積する。そして、金属層上にフォトレジスト膜を塗布し、フォト・リソグラフィ技術を用いてフォトレジスト膜をパターニングする。パターニングされたフォトレジスト膜をマスクとして用いて、ドライエッチングにより金属層をパターニングして、ソース電極9及びゲート表面電極のパターンを形成する。同様に、スパッタ法又は蒸着法等により、ドレイン領域1の下面にAu等からなるドレイン電極10を図1に示すように形成する。このようにして、本発明の実施形態に係る半導体装置が完成する。 Next, as shown in FIG. 12, a metal layer made of Al or the like is deposited on the entire upper surface of the source regions 4a and 4b and the p + type base contact regions 5a and 5b by sputtering or vapor deposition. Then, a photoresist film is applied on the metal layer, and the photoresist film is patterned using a photolithographic technique. Using the patterned photoresist film as a mask, the metal layer is patterned by dry etching to form a pattern of the source electrode 9 and the gate surface electrode. Similarly, a drain electrode 10 made of Au or the like is formed on the lower surface of the drain region 1 by sputtering or vapor deposition as shown in FIG. In this way, the semiconductor device according to the embodiment of the present invention is completed.

本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、感光性樹脂膜62xを露光する光量を調整することにより、トレンチ底部埋込絶縁膜62の厚さを調節することができる。したがって、トレンチ12の底面側の第1ゲート絶縁膜61、トレンチ底部埋込絶縁膜62及び第2ゲート絶縁膜63からなるトレンチ内誘電体膜(61,62,63)の各部の厚さを独立して調節することが容易にできる。   According to the method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment of the present invention, the thickness of the trench bottom buried insulating film 62 can be adjusted by adjusting the amount of light that exposes the photosensitive resin film 62x. Therefore, the thickness of each part of the in-trench dielectric film (61, 62, 63) composed of the first gate insulating film 61, the trench bottom buried insulating film 62, and the second gate insulating film 63 on the bottom surface side of the trench 12 is made independent. And can be easily adjusted.

(第1の変形例)
本発明の実施形態の第1の変形例に係る半導体装置は、図12に示すように、トレンチ内誘電体膜(61,62)が、第1ゲート絶縁膜61及びトレンチ底部埋込絶縁膜62を有し、図1に示した第2ゲート絶縁膜63を有さない点が、図1に示した本発明の実施形態に係る半導体装置と異なる。第1ゲート絶縁膜61は、トレンチ12の底面及び側面に連続して設けられ、トレンチ12の底面に接する。第1ゲート絶縁膜61は、トレンチ12の側面のベース領域3a,3bが露出する表面の位置からトレンチ12の底面までを含む、トレンチ12の内面の全面に設けられている。トレンチ底部埋込絶縁膜62は、トレンチ12の下部に設けられ、トレンチ底部埋込絶縁膜62の下面側が第1ゲート絶縁膜61に接し、トレンチ底部埋込絶縁膜62の上面側がゲート埋込電極7に接する。
(First modification)
In the semiconductor device according to the first modification of the embodiment of the present invention, as shown in FIG. 12, the in-trench dielectric films (61, 62) include the first gate insulating film 61 and the trench bottom embedded insulating film 62. 1 is different from the semiconductor device according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 in that the second gate insulating film 63 shown in FIG. The first gate insulating film 61 is provided continuously on the bottom surface and side surfaces of the trench 12 and is in contact with the bottom surface of the trench 12. The first gate insulating film 61 is provided on the entire inner surface of the trench 12 including the position of the surface where the base regions 3 a and 3 b on the side surfaces of the trench 12 are exposed to the bottom surface of the trench 12. The trench bottom buried insulating film 62 is provided below the trench 12, the lower surface side of the trench bottom buried insulating film 62 is in contact with the first gate insulating film 61, and the upper surface side of the trench bottom buried insulating film 62 is the gate buried electrode. 7

本発明の実施形態の第1の変形例に係る半導体装置によれば、本発明の実施形態に係る半導体装置と同様に、トレンチ内誘電体膜(61,62)がトレンチ12の下部にトレンチ底部埋込絶縁膜62を有する。これにより、トレンチ底部埋込絶縁膜62の厚さを調整して、トレンチ12の底面側のトレンチ内誘電体膜(61,62)の厚さを独立に厚くすることが容易であり、トレンチ12の底部の耐圧を確保することができる。   According to the semiconductor device according to the first modification of the embodiment of the present invention, the in-trench dielectric film (61, 62) is formed at the bottom of the trench at the lower portion of the trench 12, as in the semiconductor device according to the embodiment of the present invention. A buried insulating film 62 is provided. Thereby, it is easy to adjust the thickness of the trench bottom embedded insulating film 62 and independently increase the thickness of the in-trench dielectric film (61, 62) on the bottom surface side of the trench 12. It is possible to ensure the withstand pressure at the bottom of the.

本発明の実施形態の第1の変形例に係る半導体装置の製造方法において、トレンチ内誘電体膜(61,62)を形成する工程は、熱酸化法又はCVD法等によりトレンチ12の底面及び側面に第1ゲート絶縁膜61を形成する。そして、トレンチ12を埋めるように感光性樹脂膜(感光性樹脂溶液)を塗布し、感光性樹脂膜を途中まで露光してトレンチ12の下部に非感光領域を残存させる。そして、感光した感光性樹脂膜を現像して選択的に除去して、トレンチ12の下部に感光性樹脂膜を残存させる。引き続き、残存した感光性樹脂膜を焼成して焼成絶縁膜からなるトレンチ底部埋込絶縁膜62をトレンチ12の底部に埋め込む。他の工程は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法と同様であるので説明を省略する。   In the method of manufacturing a semiconductor device according to the first modification of the embodiment of the present invention, the step of forming the in-trench dielectric films (61, 62) is performed by a thermal oxidation method, a CVD method, or the like using the bottom surface and side surfaces of the trench 12 A first gate insulating film 61 is formed. Then, a photosensitive resin film (photosensitive resin solution) is applied so as to fill the trench 12, and the photosensitive resin film is exposed partway to leave a non-photosensitive region under the trench 12. Then, the exposed photosensitive resin film is developed and selectively removed to leave the photosensitive resin film below the trench 12. Subsequently, the remaining photosensitive resin film is baked, and a trench bottom embedded insulating film 62 made of a baked insulating film is embedded in the bottom of the trench 12. Since other processes are the same as those of the method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment of the present invention, description thereof is omitted.

(第2の変形例)
本発明の実施形態の第2の変形例に係る半導体装置は、図13に示すように、トレンチ内誘電体膜(62,63)が、トレンチ底部埋込絶縁膜62及び第2ゲート絶縁膜63を有し、図1に示した第1ゲート絶縁膜61を有さない点が、図1に示した本発明の実施形態に係る半導体装置と異なる。トレンチ底部埋込絶縁膜62は、トレンチ12の底面に接するようにトレンチ12の下部に設けられている。第2ゲート絶縁膜63は、トレンチ底部埋込絶縁膜62の上面を被覆するように、トレンチ12の側面及びトレンチ底部埋込絶縁膜62の上面に連続して設けられている。第2ゲート絶縁膜63は、トレンチ底部埋込絶縁膜62及びゲート埋込電極7に接している。
(Second modification)
In the semiconductor device according to the second modification of the embodiment of the present invention, as shown in FIG. 13, the in-trench dielectric films (62, 63) include the trench bottom buried insulating film 62 and the second gate insulating film 63. 1 is different from the semiconductor device according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 in that the first gate insulating film 61 shown in FIG. 1 is not provided. The trench bottom embedded insulating film 62 is provided below the trench 12 so as to be in contact with the bottom surface of the trench 12. The second gate insulating film 63 is continuously provided on the side surface of the trench 12 and the upper surface of the trench bottom buried insulating film 62 so as to cover the upper surface of the trench bottom buried insulating film 62. The second gate insulating film 63 is in contact with the trench bottom buried insulating film 62 and the gate buried electrode 7.

本発明の実施形態の第2の変形例に係る半導体装置によれば、本発明の実施形態に係る半導体装置と同様に、トレンチ内誘電体膜(62,63)がトレンチ12の下部にトレンチ底部埋込絶縁膜62を有する。これにより、トレンチ底部埋込絶縁膜62の厚さを調整して、トレンチ12の底面側のトレンチ内誘電体膜(62,63)を選択的に容易に厚くすることができ、トレンチ12の底部の耐圧を確保することができる。   According to the semiconductor device according to the second modification of the embodiment of the present invention, the in-trench dielectric film (62, 63) is formed at the bottom of the trench at the lower portion of the trench 12, as in the semiconductor device according to the embodiment of the present invention. A buried insulating film 62 is provided. Accordingly, the thickness of the trench bottom buried insulating film 62 can be adjusted, and the in-trench dielectric films (62, 63) on the bottom surface side of the trench 12 can be selectively and easily thickened. The withstand voltage can be secured.

本発明の実施形態の第2の変形例に係る半導体装置の製造方法において、トレンチ内誘電体膜(62,63)を形成する工程は、トレンチ12を埋めるように感光性樹脂膜を塗布し、感光性樹脂膜を途中まで露光してトレンチ12の下部に非感光領域を残存させる。感光した感光性樹脂膜を現像して選択的に除去し、トレンチ12の下部に感光性樹脂膜を残存させる。その後、残存した感光性樹脂膜を焼成して焼成絶縁膜からなるトレンチ底部埋込絶縁膜62をトレンチ12の底部に埋め込む。更に、CVD法等により、トレンチ12の側面及びトレンチ底部埋込絶縁膜62の上面に第2ゲート絶縁膜63を堆積する。第2ゲート絶縁膜63は、トレンチ12の側面のベース領域3a,3bが露出する表面の位置からトレンチ底部埋込絶縁膜62の上面にまで延長されて設けられる。他の工程は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法と同様であるので説明を省略する。   In the method of manufacturing a semiconductor device according to the second modification of the embodiment of the present invention, the step of forming the in-trench dielectric film (62, 63) includes applying a photosensitive resin film so as to fill the trench 12, The photosensitive resin film is exposed partway to leave a non-photosensitive region below the trench 12. The exposed photosensitive resin film is developed and selectively removed, leaving the photosensitive resin film below the trench 12. Thereafter, the remaining photosensitive resin film is baked, and a trench bottom embedded insulating film 62 made of a baked insulating film is embedded in the bottom of the trench 12. Further, a second gate insulating film 63 is deposited on the side surfaces of the trench 12 and the upper surface of the trench bottom buried insulating film 62 by CVD or the like. The second gate insulating film 63 is provided so as to extend from the surface position at which the base regions 3 a and 3 b on the side surfaces of the trench 12 are exposed to the upper surface of the trench bottom buried insulating film 62. Since other processes are the same as those of the method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment of the present invention, description thereof will be omitted.

(第3の変形例)
本発明の実施形態の第3の変形例に係る半導体装置は、図14に示すように、トレンチ内誘電体膜(62,63)の第2ゲート絶縁膜63が、トレンチ12の側面のみに選択的に設けられ、トレンチ底部埋込絶縁膜62の上面に設けられていない点が、図13に示した本発明の実施形態の第2の変形例に係る半導体装置と異なる。トレンチ12の下部において、トレンチ底部埋込絶縁膜62がゲート埋込電極7に接する。
(Third Modification)
In the semiconductor device according to the third modification of the embodiment of the present invention, as shown in FIG. 14, the second gate insulating film 63 of the in-trench dielectric film (62, 63) is selected only on the side surface of the trench 12. The semiconductor device according to the second modification of the embodiment of the present invention shown in FIG. 13 is different from the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention shown in FIG. Under the trench 12, the trench bottom buried insulating film 62 is in contact with the gate buried electrode 7.

本発明の実施形態の第3の変形例に係る半導体装置によれば、本発明の実施形態に係る半導体装置と同様に、トレンチ内誘電体膜(62,63)がトレンチ12の下部にトレンチ底部埋込絶縁膜62を有するので、トレンチ底部埋込絶縁膜62の厚さを調整して、トレンチ12の底面側のトレンチ内誘電体膜(62,63)を選択的に容易に厚くすることができ、トレンチ12の底部の耐圧を確保することができる。   According to the semiconductor device according to the third modification of the embodiment of the present invention, the in-trench dielectric film (62, 63) is formed at the bottom of the trench at the lower portion of the trench 12, similarly to the semiconductor device according to the embodiment of the present invention. Since the buried insulating film 62 is provided, the thickness of the trench buried insulating film 62 at the bottom of the trench can be adjusted so that the in-trench dielectric film (62, 63) on the bottom surface side of the trench 12 can be selectively thickened easily. In addition, the withstand voltage at the bottom of the trench 12 can be ensured.

本発明の実施形態の第3の変形例に係る半導体装置の製造方法において、トレンチ内誘電体膜(62,63)を形成する工程は、トレンチ12を埋めるように感光性樹脂膜を塗布し、感光性樹脂膜を途中まで露光してトレンチ12の下部に非感光領域を残存させる。感光した感光性樹脂膜を現像して選択的に除去し、トレンチ12の下部に感光性樹脂膜を残存させる。その後、残存した感光性樹脂膜を焼成して焼成絶縁膜からなるトレンチ底部埋込絶縁膜62をトレンチ12の底部に埋め込む。更に、熱酸化法等により、トレンチ12の側面にのみ第2ゲート絶縁膜63を選択的に形成する。他の工程は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法と同様であるので説明を省略する。   In the method of manufacturing a semiconductor device according to the third modification of the embodiment of the present invention, the step of forming the in-trench dielectric film (62, 63) applies a photosensitive resin film so as to fill the trench 12, The photosensitive resin film is exposed partway to leave a non-photosensitive region below the trench 12. The exposed photosensitive resin film is developed and selectively removed, leaving the photosensitive resin film below the trench 12. Thereafter, the remaining photosensitive resin film is baked, and a trench bottom embedded insulating film 62 made of a baked insulating film is embedded in the bottom of the trench 12. Further, the second gate insulating film 63 is selectively formed only on the side surface of the trench 12 by a thermal oxidation method or the like. Since other processes are the same as those of the method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment of the present invention, description thereof is omitted.

(その他の実施形態)
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
(Other embodiments)
As mentioned above, although this invention was described by embodiment, it should not be understood that the statement and drawing which form a part of this indication limit this invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.

本発明の実施形態においては、図1に示すようにトレンチ底部埋込絶縁膜62が三日月形状の断面形状を有する場合を例示したが、これに限定されない。既に述べたとおり、トレンチ底部埋込絶縁膜62の上面はSOG膜等の感光性樹脂膜を焼成する前は光の透過距離が一定(均一)であることを反映し平坦である。よって、焼成する条件を調整することにより、例えば図15に示すようにトレンチ底部埋込絶縁膜62の上面を平坦にし、下面まで含めた全体の断面形状が半円形状となるように形成してもよい。或いは、図16に示すように、トレンチ12の底面が平面である場合には、トレンチ12の底面の形状に対応して焼成絶縁膜からなるトレンチ底部埋込絶縁膜62が矩形の断面形状を有していてもよい。特に、トレンチ12の底面が平面である場合には、感光性樹脂膜を焼成する後にもトレンチ底部埋込絶縁膜62の上面を平坦にすることは容易である。   In the embodiment of the present invention, the case where the trench bottom embedded insulating film 62 has a crescent-shaped cross-sectional shape as illustrated in FIG. 1 is illustrated, but the present invention is not limited to this. As described above, the upper surface of the trench bottom buried insulating film 62 is flat reflecting the fact that the light transmission distance is constant (uniform) before baking the photosensitive resin film such as the SOG film. Therefore, by adjusting the firing conditions, for example, as shown in FIG. 15, the upper surface of the trench bottom buried insulating film 62 is flattened and the entire cross-sectional shape including the lower surface is formed into a semicircular shape. Also good. Alternatively, as shown in FIG. 16, when the bottom surface of the trench 12 is flat, the trench bottom embedded insulating film 62 made of a fired insulating film has a rectangular cross-sectional shape corresponding to the shape of the bottom surface of the trench 12. You may do it. In particular, when the bottom surface of the trench 12 is flat, it is easy to flatten the top surface of the trench bottom buried insulating film 62 even after baking the photosensitive resin film.

本発明の実施形態においては、トレンチゲート型MISFETを例示したが、これに限定されず、半導体層の上に絶縁膜を介して電極が配置されているトレンチ構造を有するIGBT等の種々のトレンチ構造を有する半導体装置に適用可能である。   In the embodiment of the present invention, the trench gate type MISFET is exemplified. However, the present invention is not limited to this, and various trench structures such as an IGBT having a trench structure in which an electrode is disposed on a semiconductor layer via an insulating film. It is applicable to a semiconductor device having

例えば、本発明の実施形態に係る半導体装置がIGBTの場合には、図17に示すように、第1導電型(n型)のドリフト層31と、ドリフト層31の上面側に配置された第2導電型(p型)のベース領域32a,32bと、ベース領域32a,32bの上部に配置され、ドリフト層31よりも高不純物密度の第1導電型(n型)の第1主電極領域(エミッタ領域)33a,33bとを備える。エミッタ領域33a,33bの上面からドリフト層31に至るように、エミッタ領域33a,33b及びベース領域32a,32bを貫通するトレンチ42が設けられている。トレンチ42の底面及び側面にはゲート絶縁膜(51,53)が設けられ、トレンチ42内にゲート絶縁膜(51,53)を介してゲート電極36が埋め込まれている。 For example, when the semiconductor device according to the embodiment of the present invention is an IGBT, the first conductivity type (n -type) drift layer 31 and the upper surface side of the drift layer 31 are disposed as shown in FIG. Second conductivity type (p-type) base regions 32 a and 32 b, and a first main electrode of the first conductivity type (n + type) that is disposed above the base regions 32 a and 32 b and has a higher impurity density than the drift layer 31. Regions (emitter regions) 33a and 33b. A trench 42 penetrating the emitter regions 33a and 33b and the base regions 32a and 32b is provided so as to reach the drift layer 31 from the upper surfaces of the emitter regions 33a and 33b. Gate insulating films (51, 53) are provided on the bottom and side surfaces of the trench 42, and the gate electrode 36 is embedded in the trench 42 via the gate insulating films (51, 53).

ベース領域32a,32bの上部には、エミッタ領域33a,33b及びベース領域32a,32bに接するようにベース領域32a,32bよりも高不純物密度の第2導電型(p型)のベースコンタクト領域34a,34bが設けられている。ゲート電極36上には層間絶縁膜37を介して第1主電極(エミッタ電極)38がエミッタ領域33a,33b及びエミッタ領域34a,34bに接して配置されている。ドリフト層31の下面側には、第1導電型(p型)の第2主電極領域(コレクタ領域)40が配置されている。ドリフト層31とコレクタ領域40の間にはドリフト層31よりも高不純物密度のn型のフィールドストップ(FS)層39が配置されている。コレクタ領域40の下面側には、コレクタ領域40に接するように第2主電極(コレクタ電極)41が配置されている。 Above the base regions 32a and 32b, a base contact region 34a of the second conductivity type (p + type) having a higher impurity density than the base regions 32a and 32b so as to be in contact with the emitter regions 33a and 33b and the base regions 32a and 32b. , 34b are provided. On the gate electrode 36, a first main electrode (emitter electrode) 38 is disposed in contact with the emitter regions 33a and 33b and the emitter regions 34a and 34b via an interlayer insulating film 37. On the lower surface side of the drift layer 31, a second main electrode region (collector region) 40 of the first conductivity type (p + type) is disposed. Between the drift layer 31 and the collector region 40, an n-type field stop (FS) layer 39 having a higher impurity density than the drift layer 31 is disposed. A second main electrode (collector electrode) 41 is disposed on the lower surface side of the collector region 40 so as to be in contact with the collector region 40.

トレンチ42の底部には、図1に示した第1ゲート絶縁膜61、トレンチ底部埋込絶縁膜62及び第2ゲート絶縁膜63の3層構造を含むトレンチ内誘電体膜(61,62,63)と同様に、第1ゲート絶縁膜51、トレンチ底部埋込絶縁膜52及び第2ゲート絶縁膜53の3層構造を含むトレンチ内誘電体膜(51,52,53)を構成して、トレンチ42の底部にかかる電界強度を抑制している。   At the bottom of the trench 42, an in-trench dielectric film (61, 62, 63 including the three-layer structure of the first gate insulating film 61, the trench bottom buried insulating film 62, and the second gate insulating film 63 shown in FIG. ), A dielectric film (51, 52, 53) in a trench including a three-layer structure of a first gate insulating film 51, a trench bottom buried insulating film 52, and a second gate insulating film 53 is formed to form a trench. The electric field strength applied to the bottom of 42 is suppressed.

図17に示したIGBTの製造方法としては、例えば、n型のドリフト層31となる半導体基板を用意して、MISFETと同様にトレンチゲート構造を形成すればよい。更に、ドリフト層31の下面側にN等のn型不純物及びAl等のp型不純物を順次多段イオン注入して熱処理を行い、n型のFS層39及びp型のコレクタ領域40をそれぞれ形成すればよい。 As a manufacturing method of the IGBT shown in FIG. 17, for example, a semiconductor substrate to be the n type drift layer 31 is prepared, and a trench gate structure may be formed in the same manner as the MISFET. Further, n-type impurities such as N and p-type impurities such as Al are sequentially subjected to multi-stage ion implantation on the lower surface side of the drift layer 31 to perform heat treatment, thereby forming an n-type FS layer 39 and a p + -type collector region 40, respectively. do it.

本発明の実施形態においては、SiCを用いた半導体装置を例示したが、窒化ガリウム(GaN)又はダイヤモンド等の他のワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体装置に適用することも可能である。また、ワイドバンドギャップ半導体に限定されず、シリコン(Si)を用いた半導体装置に適用することも可能である。   In the embodiment of the present invention, a semiconductor device using SiC is exemplified, but the present invention can also be applied to a semiconductor device using another wide band gap semiconductor such as gallium nitride (GaN) or diamond. Further, the present invention is not limited to a wide band gap semiconductor, and can be applied to a semiconductor device using silicon (Si).

1…ドレイン領域(第2主電極領域)
2,31…ドリフト層
3,3a,3b,32a,32b…ベース領域
4a,4b…ソース領域(第1主電極領域)
5a,5b,34a,34b…ベースコンタクト領域
6,6x,6y,6z,35…ゲート絶縁膜
7…ゲート埋込電極
7x…ポリシリコン層
8,37…層間絶縁膜
9…ソース電極
10…ドレイン電極
11,13…フォトレジスト膜
12,42…トレンチ
33a,33b…エミッタ領域(第1主電極領域)
38…エミッタ電極
39…フィールドストップ層
40…コレクタ領域(第2主電極領域)
41…コレクタ電極
51,61…第1ゲート絶縁膜
52,62…トレンチ底部埋込絶縁膜
53,63…第2ゲート絶縁膜
62x…感光性樹脂膜
1 ... Drain region (second main electrode region)
2, 31 ... drift layers 3, 3a, 3b, 32a, 32b ... base regions 4a, 4b ... source regions (first main electrode regions)
5a, 5b, 34a, 34b ... base contact regions 6, 6x, 6y, 6z, 35 ... gate insulating film 7 ... gate buried electrode 7x ... polysilicon layer 8, 37 ... interlayer insulating film 9 ... source electrode 10 ... drain electrode 11, 13 ... Photoresist films 12, 42 ... Trench 33a, 33b ... Emitter region (first main electrode region)
38 ... Emitter electrode 39 ... Field stop layer 40 ... Collector region (second main electrode region)
41 ... Collector electrodes 51, 61 ... First gate insulating films 52, 62 ... Trench bottom buried insulating films 53, 63 ... Second gate insulating film 62x ... Photosensitive resin film

Claims (12)

第1導電型のドリフト層と、
前記ドリフト層の上面側に配置された第2導電型のベース領域と、
前記ベース領域の上部に配置され、前記ドリフト層よりも高不純物密度の第1導電型の第1主電極領域と、
前記第1主電極領域及び前記ベース領域を貫通するトレンチ側面の前記ベース領域が露出する表面に少なくとも設けられたゲート絶縁膜と、
前記トレンチの底面側に前記トレンチの下部を埋め込むように前記ゲート絶縁膜に接して設けられ、前記ゲート絶縁膜より比誘電率の小さい焼成絶縁膜からなるトレンチ底部埋込絶縁膜と、
前記トレンチ内の前記トレンチ底部埋込絶縁膜の上方に前記ゲート絶縁膜を介して埋め込まれたゲート埋込電極と、
前記ドリフト層の下面側に配置された第2主電極領域と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
A first conductivity type drift layer;
A base region of a second conductivity type disposed on the upper surface side of the drift layer;
A first main electrode region of a first conductivity type disposed on the base region and having a higher impurity density than the drift layer;
A gate insulating film provided at least on the surface where the base region is exposed on the side surface of the trench penetrating the first main electrode region and the base region;
A trench bottom embedded insulating film made of a fired insulating film having a relative dielectric constant smaller than that of the gate insulating film, provided in contact with the gate insulating film so as to bury the lower portion of the trench on the bottom side of the trench;
A gate buried electrode buried via the gate insulating film above the trench bottom buried insulating film in the trench;
A second main electrode region disposed on the lower surface side of the drift layer;
A semiconductor device comprising:
前記トレンチ底部埋込絶縁膜には、透過型電子顕微鏡像の観察から認められる2nm〜10nmの微少空孔が分散していることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   2. The semiconductor device according to claim 1, wherein minute vacancies of 2 nm to 10 nm recognized from observation of a transmission electron microscope image are dispersed in the trench bottom buried insulating film. 前記ゲート絶縁膜が、前記側面の前記ベース領域が露出する表面の位置から前記底面までを含む、前記トレンチの内面の全面に設けられていることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。   3. The semiconductor according to claim 1, wherein the gate insulating film is provided on the entire inner surface of the trench including from the position of the surface of the side surface where the base region is exposed to the bottom surface. 4. apparatus. 前記ゲート絶縁膜が、前記側面の前記ベース領域が露出する表面の位置から前記トレンチ底部埋込絶縁膜の上面にまで延長され前記トレンチ底部埋込絶縁膜の上面を被覆していることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。   The gate insulating film extends from the position of the surface of the side surface where the base region is exposed to the upper surface of the trench bottom buried insulating film, and covers the upper surface of the trench bottom buried insulating film. The semiconductor device according to claim 1 or 2. 前記ゲート絶縁膜が、
前記底面及び前記側面に設けられ、前記トレンチ底部埋込絶縁膜の下面側で前記底面に接する第1ゲート絶縁膜と、
前記第1ゲート絶縁膜の上面に設けられ、前記側面の前記ベース領域が露出する表面の位置から前記トレンチ底部埋込絶縁膜の上面にまで延長し、前記ゲート埋込電極に接する第2ゲート絶縁膜と、
を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置。
The gate insulating film is
A first gate insulating film provided on the bottom surface and the side surface and in contact with the bottom surface on a lower surface side of the trench bottom buried insulating film;
A second gate insulating layer provided on an upper surface of the first gate insulating film, extending from a surface position at which the base region of the side surface is exposed to an upper surface of the trench bottom embedded insulating film and being in contact with the gate embedded electrode; A membrane,
The semiconductor device according to claim 1, comprising:
前記トレンチ底部埋込絶縁膜の上面が前記ゲート埋込電極に接することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。   4. The semiconductor device according to claim 1, wherein an upper surface of the trench bottom buried insulating film is in contact with the gate buried electrode. 前記トレンチ底部埋込絶縁膜が前記底面に接することを特徴とする請求項1、2及び4のいずれか1項に記載の半導体装置。   5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the trench bottom embedded insulating film is in contact with the bottom surface. 6. 前記ドリフト層がシリコンよりも禁制帯幅が広い半導体材料からなることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the drift layer is made of a semiconductor material having a wider forbidden band than silicon. 第1導電型のドリフト層の上面側に第2導電型のベース領域を形成する工程と、
前記ベース領域を貫通するトレンチを形成する工程と、
前記トレンチの少なくとも側面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記トレンチを埋めるように感光性樹脂膜を塗布する工程と、
前記塗布した感光性樹脂膜を途中まで露光して前記トレンチの下部に非感光領域を残存させる工程と、
感光した前記感光性樹脂膜を現像して選択的に除去する工程と、
前記残存した感光性樹脂膜を焼成して焼成絶縁膜からなるトレンチ底部埋込絶縁膜を形成する工程と、
前記トレンチ内の前記トレンチ底部埋込絶縁膜の上方に前記ゲート絶縁膜を介してゲート埋込電極を埋め込む工程と、
前記ベース領域の上部に、前記ドリフト層よりも高不純物密度の第1導電型の第1主電極領域を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a second conductivity type base region on the upper surface side of the first conductivity type drift layer;
Forming a trench penetrating the base region;
Forming a gate insulating film on at least a side surface of the trench;
Applying a photosensitive resin film to fill the trench;
Exposing the coated photosensitive resin film halfway to leave a non-photosensitive region under the trench; and
Developing and selectively removing the exposed photosensitive resin film;
Firing the remaining photosensitive resin film to form a trench bottom buried insulating film made of a fired insulating film;
Burying a gate buried electrode through the gate insulating film above the trench bottom buried insulating film in the trench;
Forming a first main electrode region of a first conductivity type having a higher impurity density than the drift layer above the base region;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記ゲート絶縁膜を第1ゲート絶縁膜として、
該第1ゲート絶縁膜の上に、前記側面の前記ベース領域が露出する表面の位置から前記トレンチ底部埋込絶縁膜の上面にまで延長され前記トレンチ底部埋込絶縁膜の上面を被覆する第2ゲート絶縁膜を形成する工程を更に含むことを特徴とする請求項9に記載の半導体装置の製造方法。
The gate insulating film as a first gate insulating film,
The second gate insulating film extends from the position of the surface where the base region on the side surface is exposed to the upper surface of the trench bottom buried insulating film and covers the upper surface of the trench bottom buried insulating film on the first gate insulating film. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 9, further comprising a step of forming a gate insulating film.
第1導電型のドリフト層の上面側に第2導電型のベース領域を形成する工程と、
前記ベース領域を貫通するトレンチを形成する工程と、
前記トレンチを埋めるように感光性樹脂膜を塗布する工程と、
前記塗布した感光性樹脂膜を途中まで露光して前記トレンチの下部に非感光領域を残存させる工程と、
感光した前記感光性樹脂膜を現像して選択的に除去する工程と、
前記残存した感光性樹脂膜を焼成して焼成絶縁膜からなるトレンチ底部埋込絶縁膜を形成する工程と、
前記トレンチの少なくとも側面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記トレンチ内の前記トレンチ底部埋込絶縁膜の上方に前記ゲート絶縁膜を介してゲート埋込電極を埋め込む工程と、
前記ベース領域の上部に、前記ドリフト層よりも高不純物密度の第1導電型の第1主電極領域を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a second conductivity type base region on the upper surface side of the first conductivity type drift layer;
Forming a trench penetrating the base region;
Applying a photosensitive resin film to fill the trench;
Exposing the coated photosensitive resin film halfway to leave a non-photosensitive region under the trench; and
Developing and selectively removing the exposed photosensitive resin film;
Firing the remaining photosensitive resin film to form a trench bottom buried insulating film made of a fired insulating film;
Forming a gate insulating film on at least a side surface of the trench;
Burying a gate buried electrode through the gate insulating film above the trench bottom buried insulating film in the trench;
Forming a first main electrode region of a first conductivity type having a higher impurity density than the drift layer above the base region;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記感光性樹脂膜がスピンオングラス膜であることを特徴とする請求項9〜11のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 9, wherein the photosensitive resin film is a spin-on-glass film.
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