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JP2015069989A - Method of manufacturing silicon carbide semiconductor device - Google Patents

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JP2015069989A JP2013200134A JP2013200134A JP2015069989A JP 2015069989 A JP2015069989 A JP 2015069989A JP 2013200134 A JP2013200134 A JP 2013200134A JP 2013200134 A JP2013200134 A JP 2013200134A JP 2015069989 A JP2015069989 A JP 2015069989A
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史郎 日野
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成久 三浦
永輔 ▲徳▼光
永輔 ▲徳▼光
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泰之 山田
Yasuyuki Yamada
泰之 山田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress reduction in channel mobility caused by heat treatment after deposition of a gate insulating film.SOLUTION: A gate insulating film 10 is formed on a silicon carbide substrate 50. When the gate insulating film 10 is formed, firstly, a first layer 6a is deposited on the silicon carbide substrate 50 at a first temperature by a chemical vapor growth method. Then, the first layer 6a is annealed at a second temperature higher than the first temperature. Then, a second layer 6b is deposited on the first layer 6a after the first layer 6a is annealed. After the gate insulating film 10 is formed in this way, the silicon carbide substrate 50 is heated to a temperature higher than the second temperature.

Description

本発明は、炭化珪素半導体装置の製造方法に関し、特に、ゲート絶縁膜を有する炭化珪素半導体装置の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device having a gate insulating film.

炭化珪素半導体装置、すなわち炭化珪素(SiC)基板を有する半導体装置、には、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)またはIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)のように、ゲート絶縁膜を有するものが含まれる。ゲート絶縁膜としては、熱酸化法によって形成された二酸化珪素(SiO2)膜がしばしば用いられる。熱酸化によって形成されたSiO2膜とSiC基板との界面には多くの界面準位が存在する。この結果、チャネル移動度がバルク中の電子移動度に比べて極めて小さくなる。このため半導体装置のオン抵抗値が理想的な値よりも高くなってしまう。そこで、ゲート絶縁膜を熱酸化法のみに依存して形成するのではなく、堆積法を利用すること、または熱酸化法および堆積法を併用することが検討されている。 Silicon carbide semiconductor devices, that is, semiconductor devices having a silicon carbide (SiC) substrate include those having a gate insulating film such as MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) or IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). . As the gate insulating film, a silicon dioxide (SiO 2 ) film formed by a thermal oxidation method is often used. Many interface states exist at the interface between the SiO 2 film formed by thermal oxidation and the SiC substrate. As a result, the channel mobility is extremely small compared to the electron mobility in the bulk. For this reason, the on-resistance value of the semiconductor device becomes higher than an ideal value. Therefore, it has been studied to use a deposition method, or to use a thermal oxidation method and a deposition method together, instead of forming the gate insulating film depending only on the thermal oxidation method.

非特許文献1によれば、SiC基板上にAl23膜を化学気相成長法によって190℃または230℃で形成する形態が開示されている。またさらに、SiC基板とAl23膜との間にごく薄い熱酸化膜を挿入する形態が開示されている。 Non-Patent Document 1 discloses a form in which an Al 2 O 3 film is formed on a SiC substrate at 190 ° C. or 230 ° C. by chemical vapor deposition. Furthermore, a mode in which a very thin thermal oxide film is inserted between the SiC substrate and the Al 2 O 3 film is disclosed.

上記のように堆積法によって形成されたゲート絶縁膜は、リーク電流の低減および比誘電率の向上のために堆積後アニール(PDA:Post Deposition Anneal)を要することがある。またPDA処理を行わない場合においても、ゲート絶縁膜の形成後にゲート絶縁膜の高温での加熱が付随的になされる場合が多い。たとえば、SiC基板上に設けられたソース電極のオーミック接合を得るために行われる加熱工程が典型的なものである。この工程は、たとえば1000℃程度の高温で行われる。   The gate insulating film formed by the deposition method as described above may require post-deposition annealing (PDA: Post Deposition Anneal) in order to reduce leakage current and improve relative dielectric constant. Even when the PDA process is not performed, the gate insulating film is often heated at a high temperature after the gate insulating film is formed. For example, a heating process performed to obtain an ohmic junction of a source electrode provided on a SiC substrate is typical. This step is performed at a high temperature of about 1000 ° C., for example.

特許文献1によれば、400℃未満の低温で堆積された酸化膜に対して、400℃以上の高温でPDA処理が行われる。この際にMOS界面が劣化することを防止するために、酸素雰囲気の圧力が0.05Pa以上5Pa以下とされる。   According to Patent Document 1, PDA treatment is performed at a high temperature of 400 ° C. or higher on an oxide film deposited at a low temperature of less than 400 ° C. At this time, the pressure in the oxygen atmosphere is set to 0.05 Pa or more and 5 Pa or less in order to prevent the MOS interface from deteriorating.

特開2009−49099号公報JP 2009-49099 A

S. Hino, et al., "High channel mobility 4H-SiC metal-oxide-semiconductor field-effect transistor with low temperature metal-organic chemical-vapor deposition grown Al2O3 gate insulator", Applied Physics Letters, Vol. 92, (2008), 183503S. Hino, et al., "High channel mobility 4H-SiC metal-oxide-semiconductor field-effect transistor with low temperature metal-organic chemical-vapor deposition grown Al2O3 gate insulator", Applied Physics Letters, Vol. 92, (2008 ), 183503

上記特許文献1の技術によってある程度は軽減はできるものの、ゲート絶縁膜がその堆積後に高温で加熱されると、界面準位密度が高まることによりチャネル移動度が低下してしまう。そこでこの現象をより抑制する方法が望まれている。   Although it can be reduced to some extent by the technique of Patent Document 1, when the gate insulating film is heated at a high temperature after the deposition, the channel state density is increased due to an increase in interface state density. Therefore, a method for further suppressing this phenomenon is desired.

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ゲート絶縁膜の堆積後の熱処理に起因したチャネル移動度の低下を抑制することができる炭化珪素半導体装置の製造方法を提供することである。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a silicon carbide semiconductor device capable of suppressing a decrease in channel mobility caused by a heat treatment after deposition of a gate insulating film. It is to provide a manufacturing method.

本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法は、次の工程を有する。炭化珪素基板上にゲート絶縁膜が形成される。ゲート絶縁膜を形成する工程は、化学気相成長(CVD)法によって第1の温度で炭化珪素基板上に第1の層を堆積する工程と、第1の温度よりも高い第2の温度で第1の層をアニールする工程と、第1の層をアニールする工程の後に第1の層上に第2の層を堆積する工程とを含む。ゲート絶縁膜が形成された後に、第2の温度よりも高い温度まで炭化珪素基板が加熱される。   The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device of the present invention includes the following steps. A gate insulating film is formed on the silicon carbide substrate. The step of forming the gate insulating film includes a step of depositing a first layer on the silicon carbide substrate at a first temperature by a chemical vapor deposition (CVD) method, and a second temperature higher than the first temperature. Annealing the first layer and depositing a second layer on the first layer after the step of annealing the first layer. After the gate insulating film is formed, the silicon carbide substrate is heated to a temperature higher than the second temperature.

本発明によれば、ゲート絶縁膜の堆積後の熱処理に起因したチャネル移動度の低下を抑制することができる。   According to the present invention, it is possible to suppress a decrease in channel mobility due to the heat treatment after the gate insulating film is deposited.

本発明の一実施の形態における炭化珪素半導体装置の構成を概略的に示す断面図である。1 is a cross sectional view schematically showing a configuration of a silicon carbide semiconductor device in one embodiment of the present invention. 本発明の一実施の形態における炭化珪素半導体装置の製造方法の第1工程を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the 1st process of the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態における炭化珪素半導体装置の製造方法の第2工程を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the 2nd process of the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態における炭化珪素半導体装置の製造方法の第3工程を概略的に示す断面図である。FIG. 7 is a cross sectional view schematically showing a third step of the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device in one embodiment of the present invention. 本発明の一実施の形態における炭化珪素半導体装置の製造方法の第4工程を概略的に示す断面図である。FIG. 10 is a cross sectional view schematically showing a fourth step of the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device in one embodiment of the present invention. 本発明の一実施の形態における炭化珪素半導体装置の製造方法の第5工程を概略的に示す断面図である。FIG. 10 is a cross sectional view schematically showing a fifth step of the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device in one embodiment of the present invention. 本発明の一実施の形態における炭化珪素半導体装置の製造方法の第6工程を概略的に示す断面図である。FIG. 11 is a cross sectional view schematically showing a sixth step of the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device in one embodiment of the present invention. 本発明の一実施の形態における炭化珪素半導体装置の製造方法の第7工程を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the 7th process of the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態における炭化珪素半導体装置の製造方法の第8工程を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the 8th process of the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態における炭化珪素半導体装置の製造方法の第9工程を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the 9th process of the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device in one embodiment of this invention. ゲート絶縁膜のアニール温度と横型MOSFETのチャネル移動度との関係を調べた実験の結果を示すグラフ図であり、CVD法の前駆体原料にジメチルアミドハイドライドを用いた場合(a)、および前駆体原料にトリエチルアルミニウムを用いた場合(b)の図である。It is a graph which shows the result of the experiment which investigated the relationship between the annealing temperature of a gate insulating film, and the channel mobility of a lateral MOSFET, (a) when a dimethylamide hydride is used for the precursor raw material of CVD method, and a precursor It is a figure of (b) when using triethylaluminum as a raw material. アニール温度と、CVD法により形成された層からのOH-ガスの脱離の分光法による検出強度と、の関係を調べた実験の結果を示すグラフ図であり、前駆体原料にジメチルアミドハイドライドを用いた場合(a)、および前駆体原料にトリエチルアルミニウムを用いた場合(b)の図である。It is a graph which shows the result of the experiment which investigated the relationship between annealing temperature and the detection intensity | strength by the spectroscopy of OH - gas desorption from the layer formed by CVD method, and dimethylamide hydride was used for the precursor raw material. It is a figure of the case where it uses (a) and the case where triethylaluminum is used for a precursor raw material (b).

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。また結晶学上のミラー指数の表記において、数字上のバーに代わり、数字前のマイナスを用いる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated. In crystallographic Miller index notation, a minus before the number is used instead of the bar on the number.

(装置の構造)
図1を参照して、本実施の形態のMOSFET90(炭化珪素半導体装置)はnチャネル型かつ縦型のパワーデバイスである。その耐圧は、たとえば数百V〜3kV程度を確保し得る。MOSFET90は、エピタキシャル基板50(炭化珪素基板)と、ゲート電極7と、ソース電極8(主電極)と、ドレイン電極9と、ゲート絶縁膜10とを有する。エピタキシャル基板50は、単結晶基板1と、ドリフト層2と、ベース領域3と、ソース領域4とを有する。
(Device structure)
Referring to FIG. 1, MOSFET 90 (silicon carbide semiconductor device) of the present embodiment is an n-channel and vertical power device. The breakdown voltage can be secured, for example, about several hundred V to 3 kV. MOSFET 90 has an epitaxial substrate 50 (silicon carbide substrate), a gate electrode 7, a source electrode 8 (main electrode), a drain electrode 9, and a gate insulating film 10. Epitaxial substrate 50 includes single crystal substrate 1, drift layer 2, base region 3, and source region 4.

単結晶基板1は、n型(第1の導電型)の炭化珪素から作られている。単結晶基板1の面方位(図中、上面の方位)は、たとえば、(0001)面、(000−1)面、または(11−20)面である。炭化珪素の結晶構造のポリタイプは、たとえば、4H、6Hまたは3Cである。単結晶基板1の一方主面(図中、上面)上には炭化珪素層がエピタキシャルに形成されている。この炭化珪素層の結晶構造は単結晶基板1のものと同様である。この炭化珪素層は、ドリフト層2、ベース領域3およびソース領域4を有する。   Single crystal substrate 1 is made of n-type (first conductivity type) silicon carbide. The plane orientation of the single crystal substrate 1 (upper plane orientation in the figure) is, for example, a (0001) plane, a (000-1) plane, or a (11-20) plane. The polytype of the crystal structure of silicon carbide is, for example, 4H, 6H, or 3C. A silicon carbide layer is formed epitaxially on one main surface (upper surface in the drawing) of single crystal substrate 1. The crystal structure of this silicon carbide layer is the same as that of single crystal substrate 1. This silicon carbide layer has a drift layer 2, a base region 3 and a source region 4.

ドリフト層2は単結晶基板1上に配置されている。ドリフト層2はn型を有する。ドリフト層2の不純物濃度は、単結晶基板1の不純物濃度よりも高いことが好ましく、たとえば1×1014〜1×1018cm-3程度である。ドリフト層2の厚さは、たとえば5〜200μmである。 Drift layer 2 is arranged on single crystal substrate 1. Drift layer 2 has n-type. The impurity concentration of drift layer 2 is preferably higher than the impurity concentration of single crystal substrate 1, and is, for example, about 1 × 10 14 to 1 × 10 18 cm −3 . The thickness of the drift layer 2 is, for example, 5 to 200 μm.

ベース領域3はドリフト層2上にウェル状に形成されている。ベース領域3の深さは、ドリフト層2の厚さを超えないことが要求され、たとえば0.5〜3μmである。ベース領域3はp型(第2の導電型)を有する。ベース領域3のp型の不純物濃度は、ドリフト層2におけるn型の不純物濃度よりも大きく、たとえば1×1017〜1×1019cm-3程度である。 The base region 3 is formed in a well shape on the drift layer 2. The depth of the base region 3 is required not to exceed the thickness of the drift layer 2 and is, for example, 0.5 to 3 μm. Base region 3 has p-type (second conductivity type). The p-type impurity concentration in the base region 3 is higher than the n-type impurity concentration in the drift layer 2 and is, for example, about 1 × 10 17 to 1 × 10 19 cm −3 .

ソース領域4は、ドリフト層2から分離されるように、ベース領域3上に設けられている。このためソース領域4の深さはベース領域3の深さよりも小さい。ソース領域4はn型を有する。ソース領域4の不純物濃度は、たとえば1×1018〜1×1021cm-3程度である。 Source region 4 is provided on base region 3 so as to be separated from drift layer 2. For this reason, the depth of the source region 4 is smaller than the depth of the base region 3. Source region 4 has n-type. The impurity concentration of the source region 4 is, for example, about 1 × 10 18 to 1 × 10 21 cm −3 .

ゲート絶縁膜10は、ドリフト層2とソース領域4とをつなぐようにベース領域上に配置された部分を含む。ゲート絶縁膜10は、窒化珪素層5と、第1および第2の層6a,6bとを有する。窒化珪素層5、第1の層6aおよび第2の層6bは、エピタキシャル基板50上に順に積層されている。なお窒化珪素層5およびゲート絶縁膜10は、ゲート長方向(図1の横方向)においてゲート電極7よりも長く形成されてもよい。また窒化珪素層5は省略されてもよく、この場合、第1の層6aおよび第2の層6bが窒化珪素層5を介さずにエピタキシャル基板50上に順に積層される。   Gate insulating film 10 includes a portion disposed on the base region so as to connect drift layer 2 and source region 4. The gate insulating film 10 has a silicon nitride layer 5 and first and second layers 6a and 6b. The silicon nitride layer 5, the first layer 6 a and the second layer 6 b are sequentially stacked on the epitaxial substrate 50. Silicon nitride layer 5 and gate insulating film 10 may be formed longer than gate electrode 7 in the gate length direction (lateral direction in FIG. 1). The silicon nitride layer 5 may be omitted. In this case, the first layer 6a and the second layer 6b are sequentially stacked on the epitaxial substrate 50 without the silicon nitride layer 5 interposed therebetween.

本実施の形態においては第1および第2の層6a,6bは、アルミニウム元素を含む酸化物から作られており、具体的にはアルミナ(Al23)から作られている。よって第1および第2の層6a,6bの各々は、同じ主構成元素、すなわちAlおよびOを有する。これにより、両者の主要元素が異なる場合に比して、製造方法を簡素化することができる。なお第1および第2の層6a,6bの材料は必ずしも同じでなくてもよい。またAl23の代わりに、SiO2、SiON、HfO2またはAlONが用いられてもよい。 In the present embodiment, the first and second layers 6a and 6b are made of an oxide containing an aluminum element, and specifically made of alumina (Al 2 O 3 ). Therefore, each of the first and second layers 6a and 6b has the same main constituent elements, that is, Al and O. Thereby, compared with the case where both main elements differ, a manufacturing method can be simplified. The materials of the first and second layers 6a and 6b are not necessarily the same. Further, instead of Al 2 O 3 , SiO 2 , SiON, HfO 2 or AlON may be used.

ゲート電極7はゲート絶縁膜10上に設けられている。ゲート電極7の材料は、たとえば、ドープされた多結晶珪素(ポリシリコン)、ドープされた多結晶炭化珪素、低抵抗高融点金属、または低抵抗高融点金属の窒化物である。低抵抗高融点金属は、たとえば、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)またはタングステン(W)である。   The gate electrode 7 is provided on the gate insulating film 10. The material of the gate electrode 7 is, for example, doped polycrystalline silicon (polysilicon), doped polycrystalline silicon carbide, a low-resistance refractory metal, or a nitride of a low-resistance refractory metal. The low resistance refractory metal is, for example, aluminum (Al), titanium (Ti), molybdenum (Mo), tantalum (Ta), niobium (Nb), or tungsten (W).

ソース電極8はエピタキシャル基板50の一方主面(図中、上面)上に設けられたオーミック電極である。ソース電極8は、ドリフト層2から離れており、ソース領域4に接触しており、好ましくはベース領域3にも接触している。ドレイン電極9は、エピタキシャル基板50の他方主面(図中、下面)、言い換えれば単結晶基板1の他方主面(図中、下面)、の上に設けられたオーミック電極である。ソース電極8およびドレイン電極9の材料としては、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)もしくは金(Au)、またはこれらの複合物を用いることができる。   The source electrode 8 is an ohmic electrode provided on one main surface (upper surface in the drawing) of the epitaxial substrate 50. The source electrode 8 is separated from the drift layer 2 and is in contact with the source region 4, preferably in contact with the base region 3. Drain electrode 9 is an ohmic electrode provided on the other main surface (lower surface in the drawing) of epitaxial substrate 50, in other words, the other main surface (lower surface in the drawing) of single crystal substrate 1. As a material of the source electrode 8 and the drain electrode 9, aluminum (Al), nickel (Ni), titanium (Ti), gold (Au), or a composite thereof can be used.

(装置の動作)
次にMOSFET90の動作について説明する。ゲート電極7にしきい値を超える電圧が印加されると、ゲート電極7直下のベース領域3の表面に反転チャネル層が形成される。これにより、ソース領域4とドリフト層2との間に電荷の流れる経路が形成される。本実施の形態のようにMOSFETがnチャネル型の場合、多数キャリアは電子であり、ソース領域4からドリフト層2へ流れ込んだ電子は、ソース電極8およびドレイン電極9の間に印加された電圧により形成される電界に従って、ドリフト層2および単結晶基板1を介してドレイン電極9に到達する。言い換えれば、ドレイン電極9からソース電極8に電流が流れる。なお上記第1および第2の導電型は入れ替えられてもよく、この場合、MOSFETはpチャネル型である。pチャネル型の場合は、多数キャリアは正孔であり、ドレイン電極9から注入された正孔が、ドリフト層2の表面に到達し、次いでベース領域3表面に形成された反転チャネル層を介してソース領域4に流れ込む。
(Device operation)
Next, the operation of the MOSFET 90 will be described. When a voltage exceeding the threshold value is applied to the gate electrode 7, an inversion channel layer is formed on the surface of the base region 3 immediately below the gate electrode 7. Thereby, a path through which charges flow is formed between the source region 4 and the drift layer 2. When the MOSFET is an n-channel type as in the present embodiment, majority carriers are electrons, and electrons flowing from the source region 4 to the drift layer 2 are generated by a voltage applied between the source electrode 8 and the drain electrode 9. According to the formed electric field, it reaches the drain electrode 9 through the drift layer 2 and the single crystal substrate 1. In other words, a current flows from the drain electrode 9 to the source electrode 8. The first and second conductivity types may be interchanged. In this case, the MOSFET is a p-channel type. In the case of the p-channel type, the majority carriers are holes, and the holes injected from the drain electrode 9 reach the surface of the drift layer 2 and then pass through the inversion channel layer formed on the surface of the base region 3. It flows into the source region 4.

(装置の製造方法)
次にMOSFET90の製造方法について、以下に説明する。
(Device manufacturing method)
Next, a method for manufacturing MOSFET 90 will be described below.

図2を参照して、単結晶基板1上にドリフト層2がエピタキシャル結晶成長法を用いて形成される。これによりエピタキシャル基板50が得られる。   Referring to FIG. 2, drift layer 2 is formed on single crystal substrate 1 using an epitaxial crystal growth method. Thereby, the epitaxial substrate 50 is obtained.

図3を参照して、ドリフト層2の表面のうちベース領域3が形成されることになる領域が露出するように、写真製版技術を用いてマスク(図示せず)が形成される。マスクの材料は、たとえば、レジスト、二酸化珪素、または窒化珪素である。このマスクを不純物注入阻止膜として用いたイオン注入法により、ドリフト層2上に不純物が添加される。これによりベース領域3が形成される。MOSFET90(図1)がnチャネルの場合、不純物としてボロン(B)またはアルミニウム(Al)を利用することができる。なおpチャネルの場合はリン(P)または窒素(N)を利用することができる。不純物の注入完了後、マスクが除去される。   Referring to FIG. 3, a mask (not shown) is formed using a photoengraving technique so that a region where base region 3 is to be formed is exposed in the surface of drift layer 2. The mask material is, for example, a resist, silicon dioxide, or silicon nitride. Impurities are added on the drift layer 2 by ion implantation using this mask as an impurity implantation blocking film. Thereby, the base region 3 is formed. When MOSFET 90 (FIG. 1) is an n-channel, boron (B) or aluminum (Al) can be used as an impurity. In the case of a p-channel, phosphorus (P) or nitrogen (N) can be used. After the impurity implantation is completed, the mask is removed.

図4を参照して、ベース領域3の表面のうちソース領域4が形成されることになる領域が露出するように、写真製版技術を用いてマスク(図示せず)が形成される。マスクの材料は、たとえば、レジスト、二酸化珪素、または窒化珪素である。このマスクを不純物注入阻止膜として用いたイオン注入法によりベース領域3に不純物が添加される。これによりソース領域4が形成される。MOSFET90(図1)がnチャネルの場合、不純物としてリン(P)または窒素(N)を利用することができる。なおpチャネルの場合はボロン(B)またはアルミニウム(Al)を利用することができる。不純物の注入完了後、マスクが除去される。なおベース領域3のイオン注入(図3)およびソース領域4のイオン注入(図4)の順番は入れ替えられてもよい。   Referring to FIG. 4, a mask (not shown) is formed using a photoengraving technique so that a region where source region 4 is to be formed is exposed in the surface of base region 3. The mask material is, for example, a resist, silicon dioxide, or silicon nitride. Impurities are added to the base region 3 by ion implantation using this mask as an impurity implantation blocking film. Thereby, the source region 4 is formed. When MOSFET 90 (FIG. 1) is an n-channel, phosphorus (P) or nitrogen (N) can be used as an impurity. In the case of a p-channel, boron (B) or aluminum (Al) can be used. After the impurity implantation is completed, the mask is removed. Note that the order of ion implantation in the base region 3 (FIG. 3) and ion implantation in the source region 4 (FIG. 4) may be interchanged.

次に、注入された不純物を活性化するための熱処理が行われる。具体的には、エピタキシャル基板50を熱処理装置により、たとえば1300〜1900℃程度で30秒〜1時間程度加熱する。   Next, heat treatment for activating the implanted impurities is performed. Specifically, the epitaxial substrate 50 is heated by a heat treatment apparatus at, for example, about 1300 to 1900 ° C. for about 30 seconds to 1 hour.

次に図5〜図7の工程によってエピタキシャル基板50上にゲート絶縁膜10(図7)が形成される。この方法について、以下に詳しく説明する。   Next, gate insulating film 10 (FIG. 7) is formed on epitaxial substrate 50 by the steps of FIGS. This method will be described in detail below.

図5を参照して、減圧雰囲気下でエピタキシャル基板50にラジカル窒素を照射することで、エピタキシャル基板50上に窒化珪素層5が形成される。この処理の際に温度を500℃に高めることで、窒化が促進されることにより、充分な膜厚の窒化珪素層5を得ることができる。   Referring to FIG. 5, silicon nitride layer 5 is formed on epitaxial substrate 50 by irradiating epitaxial substrate 50 with radical nitrogen under a reduced pressure atmosphere. By increasing the temperature to 500 ° C. during this treatment, the nitridation is promoted, so that the silicon nitride layer 5 having a sufficient thickness can be obtained.

図6を参照して、窒化珪素層5を介してエピタキシャル基板50上に第1の層6aが堆積される。この堆積はCVD法によって行われる。CVD法はスパッタ法などの物理成長法に比して、膜厚均一性が良好でありまた多数の基板を同時に処理することができることから、量産性に富んだ手法である。   Referring to FIG. 6, first layer 6 a is deposited on epitaxial substrate 50 through silicon nitride layer 5. This deposition is performed by a CVD method. The CVD method has a good film thickness uniformity as compared with a physical growth method such as a sputtering method, and can process a large number of substrates at the same time.

第1の層6aの堆積が行われる温度(堆積温度)T1(第1の温度)は、たとえば200℃程度である。また雰囲気の圧力は、たとえば、0.1〜1000Pa程度に減圧される。本実施の形態のように第1の層6aがアルミナから作られる場合、エピタキシャル基板50への原料の供給は、たとえば、トリエチルアルミニウムおよび水の気相供給によって行われる。これにより、エピタキシャル基板50上へ、水素元素および酸素元素を含む原料ガスが供給される。第1の層6aが形成される厚さは、15nm程度以上が好ましく、本実施の形態においては15nm程度とされる。   The temperature at which the first layer 6a is deposited (deposition temperature) T1 (first temperature) is, for example, about 200 ° C. The pressure of the atmosphere is reduced to about 0.1 to 1000 Pa, for example. When the first layer 6a is made of alumina as in the present embodiment, the raw material is supplied to the epitaxial substrate 50 by, for example, vapor phase supply of triethylaluminum and water. Thereby, a source gas containing a hydrogen element and an oxygen element is supplied onto the epitaxial substrate 50. The thickness at which the first layer 6a is formed is preferably about 15 nm or more, and is about 15 nm in the present embodiment.

次に、第1の層6aが上記温度T1よりも高い温度T2(第2の温度)でアニールされる。温度T2は、たとえば600℃程度である。このアニールにより第1の層6aから残留不純物がガスとして脱離される。本実施の形態においてはOH-ガスが脱離される。このアニールは、窒素もしくはアルゴンなどによる不活性雰囲気下、または高真空下で行われることが好ましい。またアニール時間は、残留ガスを十分に脱離するためには1分以上が好ましい。 Next, the first layer 6a is annealed at a temperature T2 (second temperature) higher than the temperature T1. The temperature T2 is about 600 ° C., for example. By this annealing, residual impurities are desorbed as a gas from the first layer 6a. In the present embodiment, OH - gas is desorbed. This annealing is preferably performed in an inert atmosphere such as nitrogen or argon, or in a high vacuum. The annealing time is preferably 1 minute or longer in order to sufficiently desorb the residual gas.

図7を参照して、次に第1の層6a上に第2の層6bが堆積される。第2の層6bは第1の層6aの堆積と同様のCVD法により堆積し得る。第2の層6bの堆積温度は、第1の層6aの堆積温度に対して高められてもよい。この理由は、第2の層6bの堆積中のエピタキシャル基板50の酸化を第1の層6aが抑制することから、第2の層6bの堆積温度がより高くされてもエピタキシャル基板50への悪影響が小さいためである。堆積温度をより高くすることで、第2の層6b中の残留不純物を少なくすることにより、第2の層6bの質を高めることができる。   Referring to FIG. 7, a second layer 6b is then deposited on the first layer 6a. The second layer 6b can be deposited by a CVD method similar to the deposition of the first layer 6a. The deposition temperature of the second layer 6b may be increased with respect to the deposition temperature of the first layer 6a. This is because, since the first layer 6a suppresses the oxidation of the epitaxial substrate 50 during the deposition of the second layer 6b, even if the deposition temperature of the second layer 6b is further increased, the epitaxial substrate 50 is adversely affected. This is because is small. By increasing the deposition temperature, the quality of the second layer 6b can be improved by reducing the residual impurities in the second layer 6b.

第2の層6bの厚さは、本実施の形態においては45nm程度とされる。これにより第1および第2の層6a,6bの厚さの和は15+45=60nmとされる。よって第1の層6aの厚さは、第1および第2の層6a,6bの厚さの和の4分の1以下とされる。   The thickness of the second layer 6b is about 45 nm in the present embodiment. As a result, the sum of the thicknesses of the first and second layers 6a and 6b is 15 + 45 = 60 nm. Therefore, the thickness of the first layer 6a is set to a quarter or less of the sum of the thicknesses of the first and second layers 6a and 6b.

第2の層6bの主構成元素は、第1の層6aの主構成元素(本実施の形態においてはAlおよびO)と同じであることが好ましい。第1および第2の層6a,6bの主構成元素が同じである場合において、主構成元素間の組成は異なっていてもよく同じであってもよい。本実施の形態においては、第2の層6bの主構成元素およびその組成は、第1の層6aの主構成元素およびその組成と同じである。言い換えれば、第2の層6bの材料は第1の層6aの材料と同様にAl23である。 The main constituent elements of the second layer 6b are preferably the same as the main constituent elements (Al and O in the present embodiment) of the first layer 6a. When the main constituent elements of the first and second layers 6a and 6b are the same, the composition between the main constituent elements may be different or the same. In the present embodiment, the main constituent elements and the composition of the second layer 6b are the same as the main constituent elements and the composition of the first layer 6a. In other words, the material of the second layer 6b is Al 2 O 3 like the material of the first layer 6a.

以上、図5〜図7の工程によりゲート絶縁膜10が形成される。   As described above, the gate insulating film 10 is formed by the steps of FIGS.

図8を参照して、ゲート絶縁膜10上にゲート電極7が堆積される。図9を参照して、ゲート電極7が、写真製版技術を用いてパターニングされる。このパターニングは、ゲート電極7がソース領域4と、たとえば10nm〜5μmの範囲で平面的に見て重なり合うように行われることが好ましい。これにより、ゲート電極7の端部におけるフリンジ効果の影響が抑制される。よって、均一にベース領域3表面に電圧が印加されるので、ベース領域3の表面に確実に反転チャネル層を形成することができる。次に、窒化珪素層5およびゲート絶縁膜10の不要部分が、写真製版技術を用いたパターニングによって除去される。このパターニングにおいてウェットまたはドライエッチングが用いられ得る。このパターニングによりソース領域4の表面が露出される。   Referring to FIG. 8, gate electrode 7 is deposited on gate insulating film 10. Referring to FIG. 9, gate electrode 7 is patterned using photolithography. This patterning is preferably performed so that the gate electrode 7 overlaps the source region 4 when viewed in plan in a range of 10 nm to 5 μm, for example. Thereby, the influence of the fringe effect at the end of the gate electrode 7 is suppressed. Therefore, since the voltage is uniformly applied to the surface of the base region 3, the inversion channel layer can be reliably formed on the surface of the base region 3. Next, unnecessary portions of the silicon nitride layer 5 and the gate insulating film 10 are removed by patterning using a photoengraving technique. Wet or dry etching can be used in this patterning. By this patterning, the surface of the source region 4 is exposed.

図10を参照して、上記のように露出されたソース領域4の上においてソース電極8の堆積およびそのパターニングが行われる。再び図1を参照して、エピタキシャル基板50の他方主面(図1の下面)上にドレイン電極9が堆積される。   Referring to FIG. 10, deposition and patterning of source electrode 8 are performed on source region 4 exposed as described above. Referring again to FIG. 1, drain electrode 9 is deposited on the other main surface (lower surface in FIG. 1) of epitaxial substrate 50.

次に、前述した第1の層6aのアニール(図6)の温度T2よりも高い温度T3までエピタキシャル基板50が加熱される。これによりソース電極8およびドレイン電極9の各々とエピタキシャル基板50との間でのオーミック接触が得られる。この、オーミック接触を得る目的でのアニールの温度は、900℃以上が好ましく、たとえば1000℃程度で行われる。   Next, the epitaxial substrate 50 is heated to a temperature T3 higher than the temperature T2 of the annealing (FIG. 6) of the first layer 6a described above. Thereby, ohmic contact between each of the source electrode 8 and the drain electrode 9 and the epitaxial substrate 50 is obtained. The annealing temperature for the purpose of obtaining ohmic contact is preferably 900 ° C. or higher, for example, about 1000 ° C.

なお本実施の形態においては、温度T2よりも高い温度T3までエピタキシャル基板50を加熱する工程は、オーミック接触を得る目的で行われるが、温度T3での加熱は、ゲート絶縁膜10が形成された後に行われるものであれば、他の目的で行われるものであってもよい。たとえば、第2の層6bの改質を目的として行われてもよい。   In the present embodiment, the step of heating the epitaxial substrate 50 to the temperature T3 higher than the temperature T2 is performed for the purpose of obtaining ohmic contact, but the heating at the temperature T3 is performed with the gate insulating film 10 formed. As long as it is performed later, it may be performed for other purposes. For example, it may be performed for the purpose of modifying the second layer 6b.

(比較例)
上述したように、第1の層6aの堆積後かつ第2の層6bの堆積前に(図6)、温度T2での第1の層6aのアニールが行われる。このアニールが行われない比較例においては、第1および第2の層6a,6bの温度T1でのCVD法による堆積後に、ソース電極8およびドレイン電極9のオーミック接触のための温度T3でのアニールが行われる。CVD法による第1および第2の層6a,6bの堆積は比較的低い温度T1で行われるので、堆積中、原料ガスから生成される膜中残留不純物、具体的にはOH-ガス、の脱離は不十分なものである。このため、その後の高い温度T3でのアニールの際に、第1および第2の層6a,6bの全体からOH-ガスが大量に脱離する。これによりエピタキシャル基板50の表面が大きく酸化される。よってMOSFET90のチャネル移動度が低下してしまう。
(Comparative example)
As described above, after the first layer 6a is deposited and before the second layer 6b is deposited (FIG. 6), the first layer 6a is annealed at the temperature T2. In the comparative example in which this annealing is not performed, after the deposition of the first and second layers 6a and 6b by the CVD method at the temperature T1, annealing at the temperature T3 for ohmic contact between the source electrode 8 and the drain electrode 9 is performed. Is done. Since the deposition of the first and second layers 6a and 6b by the CVD method is performed at a relatively low temperature T1, during the deposition, residual impurities in the film generated from the source gas, specifically, OH-gas is removed. Separation is inadequate. Therefore, a large amount of OH - gas is desorbed from the entire first and second layers 6a and 6b during the subsequent annealing at the high temperature T3. As a result, the surface of the epitaxial substrate 50 is greatly oxidized. Therefore, the channel mobility of MOSFET 90 is lowered.

(作用効果)
これに対して本実施の形態によれば、第1の層6aの堆積後かつ第2の層6bの堆積前に(図6)、T3>T2>T1を満たす温度T2でのアニールが行われることで、第1の層6aからの残留不純物、具体的にはOH-ガス、の脱離が促進される。この時点では第2の層6bが未だ堆積されておらず、また、温度T2は温度T3より低い。これらの理由により、脱離するOH-ガスの発生量が少なくなる。よって脱離したOH-ガスによるエピタキシャル基板50の酸化も抑えられる。そして第2の層6bの堆積後の温度T3でのアニールにおいて、第2の層6bからエピタキシャル基板50上へのOH-ガスの拡散が、上記のようにガスの脱離が行われた第1の層6aによって防止される。このため、第2の層6bからのOH-ガスによるエピタキシャル基板50の酸化も抑えられる。以上のように、第1および第2の層6a,6bからのOH-ガスによるエピタキシャル基板50の酸化が抑えられる。これにより、上述した比較例と異なり、ゲート絶縁膜10の堆積後の温度T3での熱処理に起因したチャネル移動度の低下を抑制することができる。
(Function and effect)
In contrast, according to the present embodiment, after the first layer 6a is deposited and before the second layer 6b is deposited (FIG. 6), annealing is performed at a temperature T2 that satisfies T3>T2> T1. it is, impurities remaining from the first layer 6a, in particular OH - gas, desorption of promoted. At this time, the second layer 6b has not yet been deposited, and the temperature T2 is lower than the temperature T3. For these reasons, OH desorbs - amount of gas generated is reduced. Therefore, the oxidation of the epitaxial substrate 50 by the desorbed OH - gas can be suppressed. Then, in the annealing at the temperature T3 after the deposition of the second layer 6b, the diffusion of OH - gas from the second layer 6b onto the epitaxial substrate 50 is the first in which the gas is desorbed as described above. This is prevented by the layer 6a. For this reason, the oxidation of the epitaxial substrate 50 by the OH - gas from the second layer 6b is also suppressed. As described above, the oxidation of the epitaxial substrate 50 by the OH - gas from the first and second layers 6a and 6b is suppressed. Thereby, unlike the comparative example described above, it is possible to suppress a decrease in channel mobility due to the heat treatment at the temperature T3 after the gate insulating film 10 is deposited.

第1の層6aの厚さが15nm以上とされる場合、第1の層6aによって温度T3のアニール(図1)時に第2の層6bからのOH-ガスの拡散を防ぐ作用がより高められるので、エピタキシャル基板50の酸化がより抑制される。また第1の層6aの厚さが第1および第2の層6a,6bの厚さの和の4分の1以下である場合、第1の層6aの厚さが過度に大きくないことにより、温度T2でのアニール(図6)時にOH-ガスが過剰に発生することを避けることができる。これによりエピタキシャル基板50の酸化がより抑制される。 When the thickness of the first layer 6a is a more 15 nm, OH from annealing (Fig. 1) at the second layer 6b of the temperature T3 by the first layer 6a - acts to prevent diffusion of the gas is further enhanced Therefore, the oxidation of the epitaxial substrate 50 is further suppressed. Further, when the thickness of the first layer 6a is equal to or less than a quarter of the sum of the thicknesses of the first and second layers 6a and 6b, the thickness of the first layer 6a is not excessively large. It is possible to avoid excessive generation of OH - gas during annealing at the temperature T2 (FIG. 6). Thereby, the oxidation of the epitaxial substrate 50 is further suppressed.

また第1の層6aはエピタキシャル基板50上に窒化珪素層5を介して形成される。酸素や水に対するバリア性が高い窒化珪素層5によってエピタキシャル基板50が保護されることで、エピタキシャル基板50の酸化がより抑制される。これによりチャネル移動度の低下をより抑制することができる。   The first layer 6a is formed on the epitaxial substrate 50 via the silicon nitride layer 5. Since the epitaxial substrate 50 is protected by the silicon nitride layer 5 having a high barrier property against oxygen and water, oxidation of the epitaxial substrate 50 is further suppressed. As a result, a decrease in channel mobility can be further suppressed.

(関連した実験の内容)
上記のように本実施の形態によれば、高温アニールに起因したチャネル移動度の劣化を防止するために、CVD法で用いた原料ガスから生成される膜中残留不純物の脱離の方法が最適化される。このような着想に想到するまでに本発明者らが行った実験について、以下に説明する。
(Content of related experiments)
As described above, according to the present embodiment, in order to prevent deterioration of channel mobility due to high-temperature annealing, the method for desorbing residual impurities in the film generated from the source gas used in the CVD method is optimal. It becomes. Experiments conducted by the present inventors before reaching such an idea will be described below.

まず、ポリタイプ4Hの結晶構造を有する炭化珪素基板の(0001)面上にアルミニウム濃度1×1016cm-3程度のp型エピタキシャル成長層を形成し、その表面にラジカル窒化により窒化珪素層を形成した。窒化珪素層は炭化珪素の意図しない酸化を抑制し、高いチャネル移動度を得るのに有効であることが知られている。その表面にイオン注入法によりn型ソース領域とn型ドレイン領域とを形成した。その後、トリエチルアルミニウム(Al(C253)と水(H2O)とを前駆体原料とするCVD法により、190℃の堆積温度でAl23ゲート絶縁膜を60nm堆積した。 First, a p-type epitaxial growth layer having an aluminum concentration of about 1 × 10 16 cm −3 is formed on the (0001) plane of a silicon carbide substrate having a polytype 4H crystal structure, and a silicon nitride layer is formed on the surface by radical nitridation. did. The silicon nitride layer is known to be effective in suppressing unintended oxidation of silicon carbide and obtaining high channel mobility. An n-type source region and an n-type drain region were formed on the surface by ion implantation. Thereafter, an Al 2 O 3 gate insulating film of 60 nm was deposited at a deposition temperature of 190 ° C. by a CVD method using triethylaluminum (Al (C 2 H 5 ) 3 ) and water (H 2 O) as precursor materials.

その後、一部の試料(試料A)に対し900℃の温度にて窒素ガス雰囲気中でアニール処理を行った。このアニール処理は、オーミック電極を得るために必要となる熱処理を模擬している。また、残りの試料(試料B)にはアニール処理は行わなかった。その後、ゲート絶縁膜上にアルミニウム膜を堆積し、この膜のうちチャネル領域以外の部分を除去することで、ゲート電極を形成した。その後、n型ソース領域およびn型ドレイン領域上の一部のゲート絶縁膜を除去し、アルミニウムを堆積後、不要な箇所のアルミニウムを除去することで、ソース電極とドレイン電極とを形成した。以上のようにして横型MOSFETを作製した。   Thereafter, some samples (sample A) were annealed at a temperature of 900 ° C. in a nitrogen gas atmosphere. This annealing process simulates the heat treatment necessary to obtain an ohmic electrode. The remaining sample (Sample B) was not annealed. Thereafter, an aluminum film was deposited on the gate insulating film, and a portion other than the channel region was removed from the film to form a gate electrode. Thereafter, a part of the gate insulating film on the n-type source region and the n-type drain region was removed, and after depositing aluminum, unnecessary portions of aluminum were removed to form a source electrode and a drain electrode. A lateral MOSFET was manufactured as described above.

MOSFETの電気的特性からチャネル移動度を測定した。その結果、チャネル移動度は、試料Bにおいては約200cm2/Vsと高いのに対し、試料Aにおいては30cm2/Vsと低かった。すなわち、900℃の熱処理においてチャネル移動度が劣化することが確認された。 The channel mobility was measured from the electrical characteristics of the MOSFET. As a result, the channel mobility was as high as about 200 cm 2 / Vs in sample B, but as low as 30 cm 2 / Vs in sample A. That is, it was confirmed that the channel mobility deteriorates in the heat treatment at 900 ° C.

この原因を探るために、さらに以下の実験を行った。ポリタイプ4Hの結晶構造を有する炭化珪素基板の(0001)面上にアルミニウム濃度1×1016cm-3程度のp型エピタキシャル成長層を形成し、その後、ジメチルアミドハイドライド(H(CH32Al)またはトリエチルアルミニウムと、水とを前駆体原料とするCVD法により、190℃の堆積温度でAl23ゲート絶縁膜を60nm堆積した。本実験では窒化珪素層は形成しなかった。その後、一部の試料に対し400℃または600℃の温度にて、窒素ガス雰囲気中でアニール処理を行った。その後、前述の方法に従いゲート電極とソース電極とドレイン電極とを形成することで横型MOSFETを作製し、そのチャネル移動度を測定した。 In order to investigate the cause, the following experiment was further conducted. A p-type epitaxial growth layer having an aluminum concentration of about 1 × 10 16 cm −3 is formed on the (0001) plane of a silicon carbide substrate having a polytype 4H crystal structure, and then dimethylamide hydride (H (CH 3 ) 2 Al ) Or a CVD method using triethylaluminum and water as precursor materials, an Al 2 O 3 gate insulating film was deposited to 60 nm at a deposition temperature of 190 ° C. In this experiment, a silicon nitride layer was not formed. Thereafter, some samples were annealed in a nitrogen gas atmosphere at a temperature of 400 ° C. or 600 ° C. Thereafter, a lateral MOSFET was formed by forming a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode according to the method described above, and the channel mobility was measured.

図11(a)および図11(b)のグラフのそれぞれは、前駆体原料にジメチルアミドハイドライドおよびトリエチルアルミニウムを用いた場合のチャネル移動度を示している。なお堆積後にアニール処理を行わなかった場合のチャネル移動度を、グラフの表記の便宜上、アニール温度0℃として表示している。   Each of the graphs of FIG. 11A and FIG. 11B shows the channel mobility when dimethylamide hydride and triethylaluminum are used as precursor raw materials. Note that the channel mobility when annealing is not performed after deposition is shown as an annealing temperature of 0 ° C. for the convenience of graph representation.

いずれの前駆体原料を用いた場合でも、ゲート絶縁膜の堆積後にアニール処理を行わなければ、チャネル移動度は300cm2/Vs程度の非常に高い値が得られた。アニール処理を行った場合はチャネル移動度の低下が観察された。具体的には、ジメチルアミドハイドライドと水とを前駆体とした場合、アニール温度が400℃および600℃の両方のいずれの場合においてもチャネル移動度は1cm2/Vs未満にまで低下した。一方、トリエチルアルミニウムと水とを前駆体とした場合のチャネル移動度は、アニール温度が600℃の場合は1cm2/Vs未満にまで低下したが、アニール温度が400℃の場合は約80cm2/Vsであり低下量が抑制された。このように、ゲート絶縁膜堆積後の熱処理によるチャネル移動度の劣化のしやすさが、前駆体原料の種類に依存することが示された。 Regardless of which precursor material is used, the channel mobility is as high as about 300 cm 2 / Vs unless annealing is performed after the gate insulating film is deposited. When annealing was performed, a decrease in channel mobility was observed. Specifically, when dimethylamide hydride and water were used as precursors, the channel mobility decreased to less than 1 cm 2 / Vs in both cases where the annealing temperature was 400 ° C. and 600 ° C. On the other hand, the channel mobility when triethylaluminum and water are used as precursors is reduced to less than 1 cm 2 / Vs when the annealing temperature is 600 ° C., but is approximately 80 cm 2 / V when the annealing temperature is 400 ° C. Vs, and the amount of decrease was suppressed. Thus, it was shown that the ease of channel mobility degradation due to the heat treatment after the gate insulating film deposition depends on the type of precursor material.

この原因を調査するために、同じ堆積条件で炭化珪素基板上にAl23を堆積した後、真空雰囲気中で加熱しながら脱離するガスの組成と量とを昇温脱離ガス分光法により調べた。図12(a)および図12(b)のグラフのそれぞれは、前駆体原料にジメチルアミドハイドライドおよびトリエチルアルミニウムを用いた場合の、OH-ガスの検出シグナル強度のアニール温度依存性を示している。 In order to investigate this cause, the composition and amount of gas desorbed while being heated in a vacuum atmosphere after depositing Al 2 O 3 on a silicon carbide substrate under the same deposition conditions, temperature-programmed desorption gas spectroscopy It was investigated by. Each of the graphs of FIG. 12A and FIG. 12B shows the annealing temperature dependence of the detected signal intensity of OH - gas when dimethylamide hydride and triethylaluminum are used as precursor raw materials.

両グラフから、前駆体原料の違いによりOH-ガスの脱離の様子が異なることが明らかになった。具体的には、前駆体原料にジメチルアミドハイドライドを用いた場合、200〜300℃程度でOH-ガスが脱離するのに対し、トリエチルアルミニウムを用いた場合、400〜600℃程度でOH-ガスが脱離することが示された。特筆すべきは、OH-ガスが脱離するアニール温度が前述のチャネル移動度の劣化の様子と対応しており、OH-ガスが脱離するような温度でアニールすることでチャネル移動度が劣化したことである。 From both graphs, OH due to differences in the precursor source - state of desorption of gas was found to differ. Specifically, when dimethylamide hydride is used as a precursor raw material, OH gas is desorbed at about 200 to 300 ° C., whereas when triethylaluminum is used, OH gas is about 400 to 600 ° C. Was shown to be detached. Notably, OH - annealing temperature which the gas desorption corresponds with state of degradation of the channel mobility described above, OH - channel mobility degradation by annealing at a temperature such that the gas is desorbed It is that.

この結果から本発明者らは、堆積したAl23のアニール中にこの中から脱離したOH-ガスが炭化珪素基板を酸化することが、チャネル特性を劣化させる原因であると考えた。このことは、前掲した文献:S. Hino, et al., "High channel mobility 4H-SiC metal-oxide-semiconductor field-effect transistor with low temperature metal-organic chemical-vapor deposition grown Al2O3 gate insulator", Applied Physics Letters, Vol. 92, (2008), 183503で説明されているように、190℃という炭化珪素がほとんど酸化しない低温でゲート絶縁膜を堆積させるとチャネル移動度が高くなることと整合する。またこのことは、酸素および水に対するバリア性が高いと考えられる窒化珪素層をAl23の下層に形成した方がアニールによるチャネル移動度の劣化が穏やかであることとも整合する。 The present inventors have this result, OH in the deposited Al 2 O 3 anneal desorbed from this - the gas oxidizes the silicon carbide substrate was thought to be responsible for degrading the channel characteristics. This is described in the above-mentioned document: S. Hino, et al., "High channel mobility 4H-SiC metal-oxide-semiconductor field-effect transistor with low temperature metal-organic chemical-vapor deposition grown Al 2 O 3 gate insulator" , Applied Physics Letters, Vol. 92, (2008), 183503, it is consistent with the channel mobility becoming higher when the gate insulating film is deposited at a low temperature of 190 ° C where silicon carbide hardly oxidizes. . This also matches that the deterioration of channel mobility due to annealing is more gentle when a silicon nitride layer, which is considered to have a high barrier property against oxygen and water, is formed under the Al 2 O 3 layer.

そこで本発明者らは、CVD法によるAl23ゲート絶縁膜の堆積を2段階に分け、間に脱離アニール処理を加えることで、炭化珪素基板の酸化を抑制することができるのではないかと考えた。具体的には、第1の層をCVD法で堆積後、その堆積温度よりも高く、かつゲート絶縁膜形成後に必要となる高温アニール温度よりも低い温度で、第1の層からOH-ガスを脱離させる脱離アニール処理を行い、その後第2の層を堆積させることで、第1および第2の層を有するゲート絶縁膜を得ることが好ましいと考えた。そしてこれにより以下の作用効果が得られるとの仮説を立てた。 Therefore, the present inventors cannot suppress the oxidation of the silicon carbide substrate by dividing the deposition of the Al 2 O 3 gate insulating film by the CVD method into two stages and adding a desorption annealing process therebetween. I thought. Specifically, after depositing the first layer by the CVD method, higher than its deposition temperature, and at a temperature lower than the high-temperature annealing temperature needed after the gate insulating film formation, OH from the first layer - gas It was considered preferable to obtain a gate insulating film having the first and second layers by performing desorption annealing treatment for desorption and then depositing the second layer. And this hypothesized that the following effects can be obtained.

脱離アニールの温度を第1の層の堆積温度よりも高く設定することで、OH-ガスの蒸気圧を高め、第1の層の堆積中に脱離できなかったOH-ガスを気相中に脱離させる。脱離アニールの時点では未だ第2の層が形成されていないので、脱離するOH-ガスの量が少なく、またその温度も高温アニールに対して低い。このため脱離アニール時の炭化珪素基板の酸化は十分に少ない。その後第2の層が堆積され、次に高温アニールが行われる。この際に、第2の層から発生するOH-ガスが炭化珪素基板へ拡散することを、脱離アニールによって予め焼き締められていた第1の層が防止する。このため、最終的に炭化珪素基板が酸化される量を大幅に低減することができる。 By setting the desorption annealing temperature higher than the deposition temperature of the first layer, the vapor pressure of the OH gas is increased, and the OH gas that could not be desorbed during the deposition of the first layer is in the gas phase. To desorb. Since the second layer has not yet been formed at the time of desorption annealing, the amount of desorbed OH gas is small, and its temperature is lower than that of high temperature annealing. For this reason, the oxidation of the silicon carbide substrate during desorption annealing is sufficiently small. A second layer is then deposited, followed by a high temperature anneal. At this time, the first layer that has been baked in advance by desorption annealing prevents the OH - gas generated from the second layer from diffusing into the silicon carbide substrate. For this reason, the quantity by which a silicon carbide substrate is finally oxidized can be reduced significantly.

上記の仮説を検証するために、次の方法で横型MOSFETを作製した。ポリタイプ4Hの結晶構造を有する炭化珪素基板の(0001)面上にアルミニウム濃度1×1016cm-3程度のp型エピタキシャル成長層を形成し、その表面にラジカル窒化により窒化珪素層を形成した。比較例としての試料Cの作製においては、トリエチルアルミニウムと水とを前駆体原料とし、190℃の堆積温度で60nmのゲート絶縁膜を堆積した。一方、試料Dにおいては、同様の堆積方法でまず15nmのゲート絶縁膜を堆積した後に、窒素雰囲気で600℃3分の脱離アニールを行い、その後同様の堆積方法で45nmのAl23を堆積した。これによりAl23の総膜厚を60nmとした。試料CおよびDの各々に対し、高温アニールを模擬した900℃3分のアニールを施した。その後、前述の方法でゲート電極、ソース電極およびドレイン電極を形成することで、横型MOSFETを作製した。 In order to verify the above hypothesis, a lateral MOSFET was fabricated by the following method. A p-type epitaxial growth layer having an aluminum concentration of about 1 × 10 16 cm −3 was formed on the (0001) plane of a silicon carbide substrate having a polytype 4H crystal structure, and a silicon nitride layer was formed on the surface by radical nitridation. In the preparation of Sample C as a comparative example, a gate insulating film of 60 nm was deposited at a deposition temperature of 190 ° C. using triethylaluminum and water as precursor materials. On the other hand, in Sample D, a 15 nm gate insulating film is first deposited by the same deposition method, followed by desorption annealing at 600 ° C. for 3 minutes in a nitrogen atmosphere, and then 45 nm Al 2 O 3 is deposited by the same deposition method. Deposited. Thereby, the total film thickness of Al 2 O 3 was set to 60 nm. Each of Samples C and D was annealed at 900 ° C. for 3 minutes simulating high temperature annealing. Thereafter, a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode were formed by the above-described method, thereby manufacturing a lateral MOSFET.

これらのMOSFETのチャネル特性を評価した結果、試料Cのチャネル移動度が30cm2/Vsであったのに対し、試料Dのチャネル移動度は90cm2/Vsであった。すなわち、比較例の試料Cのチャネル移動度に比して、試料Dのチャネル移動度の方が格段に高くなることが確かめられた。 As a result of evaluating the channel characteristics of these MOSFETs, the channel mobility of Sample C was 30 cm 2 / Vs, whereas the channel mobility of Sample D was 90 cm 2 / Vs. That is, it was confirmed that the channel mobility of the sample D was remarkably higher than the channel mobility of the sample C of the comparative example.

(付記)
本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。たとえば、炭化珪素半導体装置はMOSFET以外のMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)であってもよい。また炭化珪素半導体装置はMISFETに限定されるものではなく、IGBTなど他の絶縁ゲート型トランジスタ素子であってもよい。また、この絶縁ゲート型トランジスタは、縦型に限定されるものではなく、ソース、ゲートおよびドレイン電極が同一主表面上に形成される横型半導体素子であってもよい。
(Appendix)
In the present invention, the embodiments can be appropriately modified and omitted within the scope of the invention. For example, the silicon carbide semiconductor device may be a MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor) other than the MOSFET. The silicon carbide semiconductor device is not limited to the MISFET, and may be another insulated gate transistor element such as an IGBT. The insulated gate transistor is not limited to a vertical type, and may be a horizontal semiconductor element in which a source, a gate, and a drain electrode are formed on the same main surface.

1 単結晶基板、2 ドリフト層、3 ベース領域、4 ソース領域、5 窒化珪素層、6a 第1の層、6b 第2の層、7 ゲート電極、8 ソース電極、9 ドレイン電極、10 ゲート絶縁膜、90 MOSFET(炭化珪素半導体装置)。   1 single crystal substrate, 2 drift layer, 3 base region, 4 source region, 5 silicon nitride layer, 6a first layer, 6b second layer, 7 gate electrode, 8 source electrode, 9 drain electrode, 10 gate insulating film 90 MOSFET (silicon carbide semiconductor device).

Claims (9)

炭化珪素基板上にゲート絶縁膜を形成する工程を備え、前記ゲート絶縁膜を形成する工程は、化学気相成長法によって第1の温度で前記炭化珪素基板上に第1の層を堆積する工程と、前記第1の温度よりも高い第2の温度で前記第1の層をアニールする工程と、前記第1の層をアニールする工程の後に前記第1の層上に第2の層を堆積する工程とを含み、さらに
前記ゲート絶縁膜を形成する工程の後に、前記第2の温度よりも高い温度まで前記炭化珪素基板を加熱する工程を備える、炭化珪素半導体装置の製造方法。
Forming a gate insulating film on the silicon carbide substrate, the step of forming the gate insulating film comprising depositing a first layer on the silicon carbide substrate at a first temperature by a chemical vapor deposition method; And depositing a second layer on the first layer after the step of annealing the first layer at a second temperature higher than the first temperature and the step of annealing the first layer And a step of heating the silicon carbide substrate to a temperature higher than the second temperature after the step of forming the gate insulating film.
前記第1および第2の層の各々は、同じ主構成元素を有する、請求項1に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。   2. The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein each of said first and second layers has the same main constituent element. 前記第1の層を堆積する工程は、前記炭化珪素基板上へ、水素元素を含む原料ガスを供給する工程を含む、請求項1または2に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the step of depositing the first layer includes a step of supplying a source gas containing a hydrogen element onto the silicon carbide substrate. 前記第1の層は、アルミニウム元素を含む酸化物から作られている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the first layer is made of an oxide containing an aluminum element. 前記第1の層の厚さは15nm以上である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。   The thickness of the said 1st layer is a manufacturing method of the silicon carbide semiconductor device of any one of Claims 1-4 which is 15 nm or more. 前記第1の層の厚さは前記第1および第2の層の厚さの和の4分の1以下である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。   The thickness of the said 1st layer is manufacture of the silicon carbide semiconductor device of any one of Claims 1-5 which is 1/4 or less of the sum of the thickness of the said 1st and 2nd layer. Method. 前記ゲート絶縁膜を形成する工程は、前記第1の層を堆積する工程の前に前記炭化珪素基板上に窒化珪素層を形成する工程を含み、前記第1の層を堆積する工程は、前記窒化珪素層を介して前記炭化珪素基板上に前記第1の層を堆積することによって行われる、請求項1〜6のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。   The step of forming the gate insulating film includes the step of forming a silicon nitride layer on the silicon carbide substrate before the step of depositing the first layer, and the step of depositing the first layer includes the step of depositing the first layer, The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the method is performed by depositing the first layer on the silicon carbide substrate via a silicon nitride layer. 前記第1の層をアニールする工程は、前記第1の層からガスを脱離させる工程を含む、請求項1〜7のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the step of annealing the first layer includes a step of desorbing a gas from the first layer. 前記炭化珪素基板上に主電極を形成する工程をさらに備え、
前記炭化珪素基板を加熱する工程は、前記炭化珪素基板および前記主電極の間でのオーミック接触を得る工程を含む、請求項1〜8のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
Further comprising forming a main electrode on the silicon carbide substrate;
The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the step of heating the silicon carbide substrate includes a step of obtaining ohmic contact between the silicon carbide substrate and the main electrode. .
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