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JP2009231308A - Method of manufacturing semiconductor device having super junction structure - Google Patents

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JP2009231308A
JP2009231308A JP2008071032A JP2008071032A JP2009231308A JP 2009231308 A JP2009231308 A JP 2009231308A JP 2008071032 A JP2008071032 A JP 2008071032A JP 2008071032 A JP2008071032 A JP 2008071032A JP 2009231308 A JP2009231308 A JP 2009231308A
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trench
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oxide film
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a semiconductor device having a super junction structure wherein a dislocation defect does not easily occur in a filled epitaxial layer of a second conductivity type for the purpose of further improving the quality of the region of the second conductivity type formed inside a trench. <P>SOLUTION: In the method, the growth time by an epitaxial growth method is made longer than the time until the region of the second conductivity type is filled to the opening of the trench, and is made shorter than the time needed until the over-deposition layer of the region of the second conductivity type grown on an oxide film or on the surface of a silicon substrate from the opening of the trench contacts the over-deposition layer from the opening of the other adjacent trench on the oxide film or on the surface of the silicon substrate. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、特にn型の半導体基板に形成されたトレンチ内にp型の半導体をエピタキシャル成長させることにより、n型半導体領域とp型半導体領域とが縞状に繰り返し接合された、pn接合構造の並列構造を有する半導体、例えば、スーパージャンクションMOSトランジスタの製造方法に関する。   In particular, the present invention has a pn junction structure in which a p-type semiconductor is epitaxially grown in a trench formed in an n-type semiconductor substrate so that the n-type semiconductor region and the p-type semiconductor region are repeatedly joined in stripes. The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor having a parallel structure, for example, a super junction MOS transistor.

通常の縦型パワーMOSFET(絶縁ゲート電界効果トランジスタ:プレーナー型)では、その耐圧に応じてオン抵抗の下限値が理論的に定まる。すなわち、素子の耐圧を高くするとオン抵抗の下限値も高くなり、スイッチング損失が大きくなることが避けられない。これは、オン状態で流れるドリフト電流の方向とオフ状態(逆バイアス状態)で空乏層が広がる方向が同じためである。換言すると、素子の耐圧を高くするためには、ドリフト層の抵抗を高くする必要がある。
こうした事情は、IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)やダイオード等についても同じである。
In a normal vertical power MOSFET (insulated gate field effect transistor: planar type), the lower limit value of the on-resistance is theoretically determined according to the breakdown voltage. That is, when the breakdown voltage of the element is increased, the lower limit value of the on-resistance is increased, and it is inevitable that the switching loss increases. This is because the direction of the drift current flowing in the on state is the same as the direction in which the depletion layer spreads in the off state (reverse bias state). In other words, in order to increase the breakdown voltage of the element, it is necessary to increase the resistance of the drift layer.
The same situation applies to IGBTs (insulated gate bipolar transistors) and diodes.

こうした問題に対し、不純物濃度を高めたn型ドリフト層領域と、p型の仕切り領域を並列かつ交互に繰り返したpn接合構造をもった縦型パワーMOSFET(スーパージャンクションMOSFET)が提案され、実用化されている(例えば、特許文献1参照)。こうした構造のパワーMOSFETでは、pn接合を繰り返し並列に形成しているため、オフ状態の時に、横方向、縦方向共に空乏領域を形成できるため、ドリフト層全体を幅広く空乏化でき、高い耐圧を確保できる。また、この構成であればドリフト層の不純物濃度を高めることができるので、オン抵抗を低減できる。   To solve these problems, a vertical power MOSFET (super junction MOSFET) having a pn junction structure in which an n-type drift layer region with an increased impurity concentration and a p-type partition region is alternately and repeatedly arranged has been proposed and put into practical use. (For example, refer to Patent Document 1). In a power MOSFET with such a structure, pn junctions are repeatedly formed in parallel, so that a depletion region can be formed in both the horizontal and vertical directions in the off state, so that the entire drift layer can be widely depleted and high breakdown voltage is ensured. it can. Further, with this structure, the impurity concentration of the drift layer can be increased, so that the on-resistance can be reduced.

pn接合構造を並列かつ交互に繰り返した半導体基板を得るには、半導体基板に対しイオン注入工程とエピタキシャル層の成長工程とを繰り返して形成する方法もあるが(例えば、特許文献2参照)、微細化が難しく特性の向上に限界があり、また、工程数が増大しやすく、操作が煩雑となり、コスト面にも問題が生じる。これに対し、第1導電型のシリコン単結晶基板の表面にエッチングによりトレンチ(溝)を形成し、該トレンチを第2導電型の充填エピタキシャル層で埋めることで、並列かつ交互に繰り返した構成のpn接合構造を形成する技術が開示されている(例えば、特許文献3、特許文献4参照)。   In order to obtain a semiconductor substrate in which pn junction structures are repeated in parallel and alternately, there is a method in which an ion implantation process and an epitaxial layer growth process are repeatedly performed on the semiconductor substrate (see, for example, Patent Document 2). However, it is difficult to make it easier, and there is a limit to the improvement of characteristics, and the number of processes is likely to increase. On the other hand, a trench (groove) is formed by etching on the surface of the first conductivity type silicon single crystal substrate, and the trench is filled with a second conductivity type filling epitaxial layer, thereby repeating the structure in parallel and alternately. Techniques for forming a pn junction structure have been disclosed (see, for example, Patent Document 3 and Patent Document 4).

上記トレンチをエピタキシャル成長法により充填エピタキシャル層で埋める場合、オン抵抗をより低下させるためには、トレンチの開口部の幅に対するトレンチの深さのアスペクト比を大きくする必要がある。しかし、アスペクト比を大きくすると、トレンチの形状が基板の表面に対し法線方向に細長い長方形となるので、トレンチをエピタキシャル成長法によりエピタキシャル膜で埋める途中にトレンチ開口部分が塞がりやすくなり、内部に空隙(ボイド)が残留しやすくなることが指摘されている(例えば、特許文献3参照)。
これに対し、トレンチ内部を充填する際のエピタキシャル成長反応において、シリコン原料ガスと同時にHClガスなどのエッチング製ガスを流すことによって、トレンチ内部に空隙が発生しない完全なエピタキシャル層に充填が可能な方法が開示されている(特許文献5参照)。
When the trench is filled with a filled epitaxial layer by an epitaxial growth method, it is necessary to increase the aspect ratio of the trench depth to the width of the opening of the trench in order to further reduce the on-resistance. However, when the aspect ratio is increased, the shape of the trench becomes a rectangle that is elongated in the normal direction to the surface of the substrate. Therefore, the trench opening is easily blocked while the trench is filled with an epitaxial film by the epitaxial growth method, and a void ( It has been pointed out that voids tend to remain (see, for example, Patent Document 3).
On the other hand, in an epitaxial growth reaction when filling the inside of the trench, there is a method capable of filling a complete epitaxial layer in which no void is generated inside the trench by flowing an etching gas such as HCl gas simultaneously with the silicon source gas. It is disclosed (see Patent Document 5).

しかし、このような方法を用いてエピタキシャル成長を行った場合、トレンチ内部にできる空隙のような不完全な埋め込みについては防ぐことはできるものの、充填エピタキシャル層の表面付近に転位が発生してしまうことがあった。   However, when epitaxial growth is performed using such a method, dislocations may occur near the surface of the filled epitaxial layer, although imperfect filling such as voids formed in the trench can be prevented. there were.

欧州特許出願公開第0053854号明細書European Patent Application No. 0053854 特開2001−139399号公報JP 2001-139399 A 特開2001−196573号公報JP 2001-196573 A 特開2002−141407号公報JP 2002-141407 A 特許第3915984号Japanese Patent No. 3915984 D.Kishimotoet.al.,The Journal of Crystal Growth,240(2002)52D. Kishimoto et al., The Journal of Crystal Growth, 240 (2002) 52. 水島一郎他、応用物理、69(2000)1187Ichiro Mizushima et al., Applied Physics, 69 (2000) 1187 H.Kuribayashiet.al.,AVS49th International Symposium,SS-TuP12,Nov.3−8,(2002)H. Kuribayashiet.al., AVS49th International Symposium, SS-TuP12, Nov. 3-8, (2002)

本発明は前述のような問題に鑑みてなされたもので、トレンチ内に形成する第2導電型の領域の更なる高品質化を目的に、前記第2導電型の充填エピタキシャル層に転位欠陥が発生しにくいスーパージャンクション構造を有する半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems. For the purpose of further improving the quality of the second conductivity type region formed in the trench, dislocation defects are present in the second conductivity type filled epitaxial layer. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor device having a super junction structure that is unlikely to occur.

上記目的を達成するために、本発明によれば、第1導電型のシリコン基板上に縞状のトレンチを形成し、該トレンチ内に第2導電型の領域をエピタキシャル成長法により形成し、前記第1導電型のシリコン基板と前記トレンチ内に形成された第2導電型の領域との界面にpn接合構造が形成される、スーパージャンクション構造を有する半導体素子の製造方法において、前記第1導電型のシリコン基板に酸化膜をマスクとして用いてエッチングによりトレンチを形成する工程と、エピタキシャル成長法により前記第2導電型の領域を前記トレンチを形成した前記第1導電型のシリコン基板上に成長させて、前記トレンチを埋め込む工程とを有し、前記エピタキシャル成長法による成長時間を、前記第2導電型の領域がトレンチの開口部まで充填されるまでの時間より長く、前記トレンチの開口部から前記酸化膜上または前記シリコン基板上に成長した前記第2導電型の領域のオーバーデポ層が、隣接する他のトレンチの開口部からのオーバーデポ層と前記酸化膜上または前記シリコン基板上で接触するまでに要する時間より短くすることを特徴とするスーパージャンクション構造を有する半導体素子の製造方法が提供される(請求項1)。   In order to achieve the above object, according to the present invention, a stripe-shaped trench is formed on a first conductivity type silicon substrate, and a second conductivity type region is formed in the trench by an epitaxial growth method. In the method of manufacturing a semiconductor device having a super junction structure in which a pn junction structure is formed at an interface between a silicon substrate of one conductivity type and a region of the second conductivity type formed in the trench, Forming a trench by etching using an oxide film as a mask on a silicon substrate; and growing the second conductivity type region on the first conductivity type silicon substrate having the trench formed by an epitaxial growth method; A step of filling the trench, and spending the growth time by the epitaxial growth method up to the opening of the trench in the second conductivity type region. The over-deposited layer of the second conductivity type region grown on the oxide film or the silicon substrate from the opening of the trench is longer than the time until it is formed. There is provided a method for manufacturing a semiconductor device having a super junction structure, characterized in that the time required for contacting the deposition layer with the oxide film or the silicon substrate is shorter.

このように、前記のような工程を有し、前記エピタキシャル成長法による成長時間を、前記第2導電型の領域がトレンチの開口部まで充填されるまでの時間より長く、前記トレンチの開口部から前記酸化膜上または前記シリコン基板上に成長した前記第2導電型の領域のオーバーデポ層が、隣接する他のトレンチの開口部からのオーバーデポ層と前記酸化膜上または前記シリコン基板上で接触するまでに要する時間より短くするスーパージャンクション構造を有する半導体素子の製造方法とすれば、形成したトレンチを確実にエピタキシャル層で埋め込むことができるとともに、前記第2導電型の領域のオーバーデポ層が、隣接する他のトレンチの開口部からのオーバーデポ層と前記酸化膜上または前記シリコン基板の表面上で接触することにより前記第2導電型の領域に応力が発生するのを防ぐことができるので、トレンチ内に形成する第2導電型の充填エピタキシャル層に転位欠陥がないスーパージャンクション構造を有する半導体素子を製造することができる。   As described above, the method includes the above-described steps, and the growth time by the epitaxial growth method is longer than the time until the second conductivity type region is filled up to the opening of the trench, The overdeposition layer of the second conductivity type region grown on the oxide film or the silicon substrate is in contact with the overdeposition layer from the opening of another adjacent trench on the oxide film or the silicon substrate. If the manufacturing method of the semiconductor device having a super junction structure that is shorter than the time required for the above-mentioned process, the formed trench can be reliably filled with the epitaxial layer, and the over-deposition layer in the second conductivity type region is adjacent Contact with an over-deposition layer from the opening of another trench on the oxide film or on the surface of the silicon substrate Further, since it is possible to prevent stress from being generated in the second conductivity type region, a semiconductor device having a super junction structure in which the second conductivity type filled epitaxial layer formed in the trench has no dislocation defect is manufactured. Can do.

このとき、前記第2導電型の領域をエピタキシャル成長法により形成する工程では、ジクロロシラン又はトリクロロシランとHClガスを供給しながら第2導電型の領域を形成することが好ましい(請求項2)。
このように、前記第2導電型の領域をエピタキシャル成長法により形成する工程では、ジクロロシラン又はトリクロロシランとHClガスを供給しながら第2導電型の領域を形成すれば、トレンチを埋め込む過程で生じうる空隙(ボイド)を発生しにくくすることができる。これによって、トレンチ内に空隙がなく、かつ、トレンチ内に形成する第2導電型の充填エピタキシャル層に転位欠陥がないスーパージャンクション構造を有する半導体素子を製造することができる。
At this time, in the step of forming the second conductivity type region by the epitaxial growth method, it is preferable to form the second conductivity type region while supplying dichlorosilane or trichlorosilane and HCl gas.
As described above, in the step of forming the second conductivity type region by the epitaxial growth method, if the second conductivity type region is formed while supplying dichlorosilane or trichlorosilane and HCl gas, it may occur in the process of filling the trench. It is possible to make it difficult for voids to be generated. As a result, it is possible to manufacture a semiconductor element having a super junction structure in which there is no void in the trench and the second conductivity type filled epitaxial layer formed in the trench has no dislocation defect.

本発明では、第1導電型のシリコン基板上に縞状のトレンチを形成し、該トレンチ内に第2導電型の領域をエピタキシャル成長法により形成し、前記第1導電型のシリコン基板と前記トレンチ内に形成された第2導電型の領域との界面にpn接合構造が形成される、スーパージャンクション構造を有する半導体素子の製造において、トレンチの開口部から酸化膜上またはシリコン基板の表面上に成長した第2導電型の領域のオーバーデポ層が、隣接する他のトレンチの開口部からのオーバーデポ層と前記酸化膜上または前記シリコン基板の表面上で接触しないようにするので、前記第2導電型の領域に応力が発生するのを防ぐことができ、前記トレンチ内に形成する第2導電型の充填エピタキシャル層に転位欠陥がないスーパージャンクション構造を有する半導体素子を製造することができる。   In the present invention, a stripe-shaped trench is formed on a first conductivity type silicon substrate, a second conductivity type region is formed in the trench by an epitaxial growth method, and the first conductivity type silicon substrate and the trench are formed. In the manufacture of a semiconductor device having a super junction structure in which a pn junction structure is formed at the interface with the region of the second conductivity type formed in the substrate, it is grown from the opening of the trench on the oxide film or on the surface of the silicon substrate. The over-depot layer in the second conductivity type region is prevented from contacting the over-deposition layer from the opening of another adjacent trench on the oxide film or the surface of the silicon substrate. A super junction having no dislocation defect in the second conductivity type filled epitaxial layer formed in the trench can be prevented. It is possible to manufacture a semiconductor device having the structure.

以下、本発明について実施の形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
スーパージャンクションMOSFETは、不純物濃度を高め、低抵抗としたn型シリコン基板に、同程度に低抵抗としたp型仕切り領域を並列かつ交互に繰り返した並列pn接合構造により構成される。上述したように、この構成では、トレードオフ関係にあるオン抵抗と耐圧を大幅に改善することができる。すなわち、オン抵抗を低減することができると共に、高い耐圧を確保することができるのである。
Hereinafter, although an embodiment is described about the present invention, the present invention is not limited to this.
The super junction MOSFET has a parallel pn junction structure in which p-type partition regions having a low resistance are arranged in parallel and alternately on an n-type silicon substrate having a high impurity concentration and a low resistance. As described above, with this configuration, the on-resistance and the breakdown voltage that are in a trade-off relationship can be significantly improved. That is, the on-resistance can be reduced and a high breakdown voltage can be secured.

上記並列pn接合構造を、例えばn型シリコン基板上に作製するには、縞状のトレンチを該シリコン基板上に形成し、該トレンチをエピタキシャル成長法によりp型シリコン単結晶のエピタキシャル層で充填する方法が一般的である。
前記トレンチ内部を充填する際のエピタキシャル成長反応において、シリコン原料ガスと同時にHClガスなどのエッチング性ガスを流すことによって、トレンチ内部に空隙が発生しない完全なエピタキシャル層に充填可能となる。
しかし、このような方法を用いて半導体素子を製造すると、トレンチ内の第2導電型の充填エピタキシャル層に転位欠陥が発生してまうことがあった。
In order to fabricate the parallel pn junction structure on, for example, an n-type silicon substrate, a method of forming a striped trench on the silicon substrate and filling the trench with an epitaxial layer of p-type silicon single crystal by an epitaxial growth method. Is common.
In the epitaxial growth reaction when filling the trench, it is possible to fill a complete epitaxial layer in which no voids are generated inside the trench by flowing an etching gas such as HCl gas simultaneously with the silicon source gas.
However, when a semiconductor device is manufactured using such a method, dislocation defects may occur in the second conductivity type filled epitaxial layer in the trench.

そこで、本発明者はこのような転位欠陥の発生原因について調査、検討を行った。その結果、転位欠陥の発生原因として、トレンチの開口部から酸化膜上またはシリコン基板の表面上に成長した不要な盛り上がり部分であるオーバーデポ層が、隣接する他のトレンチの開口部からのオーバーデポ層と接触したときに発生する応力にあることを見出した。すなわち、シリコンがトレンチの開口部まで充填された後、さらにエピタキシャル成長を続けると開口部の上方にシリコンが盛り上がり、さらに、酸化膜上またはシリコン基板の上にも広がっていく。その際、隣接するトレンチにて同様の現象により形成されたオーバーデポ層同士が接触すると、今まで自由に行われていたエピタキシャル成長が妨げられ、大きな応力が発生する。その応力によって、転位欠陥が発生し、トレンチ内部まで転位欠陥が伸びてしまうことが判った。   Therefore, the present inventor investigated and examined the cause of the occurrence of such dislocation defects. As a result, dislocation defects are caused by the occurrence of an overdeposit layer that is an unnecessary raised portion grown on the oxide film or the surface of the silicon substrate from the trench opening. It was found that there is a stress generated when contacting the layer. That is, after the silicon is filled up to the opening of the trench and further epitaxial growth is continued, the silicon rises above the opening and further spreads on the oxide film or the silicon substrate. At this time, if the overdeposit layers formed by the same phenomenon in adjacent trenches come into contact with each other, epitaxial growth which has been performed freely so far is hindered, and a large stress is generated. It was found that due to the stress, dislocation defects occurred and the dislocation defects extended into the trench.

このことから、本発明者はトレンチ内の第2導電型の充填エピタキシャル層への転位発生を防ぐためには、隣接するトレンチの開口部からのオーバーデポ層を酸化膜上またはシリコン基板上で互いに接触させないようにすれば良いことに想到し、本発明を完成させた。すなわち、従来はトレンチ内を確実に第2導電型のエピタキシャル層で充填するためオーバーデポ層が形成されるまでエピタキシャル成長させるのが常識であり、このオーバーデポ層がウェーハ面内全面に形成されるまでのエピタキシャル成長が継続されていた。これに対し、本発明のスーパージャンクション構造を有する半導体素子の製造方法では、エピタキシャル成長法による成長時間を、第2導電型の領域がトレンチの開口部まで充填されるまでの時間より長く、前記トレンチの開口部から酸化膜上またはシリコン基板の表面上に成長した前記第2導電型の領域のオーバーデポ層が、隣接する他のトレンチの開口部からのオーバーデポ層と前記酸化膜上または前記シリコン基板の表面上で接触するまでに要する時間より短くして成長させることとした。   Therefore, in order to prevent the occurrence of dislocation to the second conductivity type filled epitaxial layer in the trench, the inventor contacts the overdeposit layer from the opening of the adjacent trench with each other on the oxide film or the silicon substrate. The present invention was completed by conceiving that it should be avoided. That is, conventionally, it is common knowledge that the trench is filled with the second conductivity type epitaxial layer to ensure the epitaxial growth until the overdeposition layer is formed. Until the overdeposition layer is formed on the entire surface of the wafer. The epitaxial growth of was continued. On the other hand, in the method for manufacturing a semiconductor device having a super junction structure according to the present invention, the growth time by the epitaxial growth method is longer than the time until the second conductivity type region is filled to the opening of the trench, An overdeposition layer of the second conductivity type region grown on the oxide film or on the surface of the silicon substrate from the opening is overlaid on the oxide film or the silicon substrate from the opening of another adjacent trench. The growth time was shorter than the time required for contact on the surface.

図1は本発明のスーパージャンクション構造を有する半導体素子の製造工程のフロー図である。
図2(A)は、本発明のスーパージャンクション構造を有する半導体素子の製造方法によって製造したシリコンエピタキシャルウェーハの一例を示した概略断面図である。
図2(A)に示すように、シリコンエピタキシャルウェーハ1は、P、AsあるいはSbがドープされたn型シリコン単結晶基板2の表面MPの、予め定められた方向に長手方向が一致する形で複数のトレンチ5が一定間隔で形成され、当該トレンチ5の内部が、Bがドープされたp型シリコン単結晶からなる充填エピタキシャル層3にて充填された構造を有する。隣接する充填エピタキシャル層3の間には、基板2に由来したn型層領域4が形成される。なお、図3に示すように、p型シリコン単結晶基板2を用い、充填エピタキシャル層3をn型層領域として形成しても良い。
図2(B)は図2(A)のトレンチを拡大して示した概略断面図である。
図2(B)に示すように、トレンチ5は内側面WPを持ち、深さd、開口部の幅w1、および底部での幅w2から成る溝で形成される。
FIG. 1 is a flowchart of a manufacturing process of a semiconductor device having a super junction structure according to the present invention.
FIG. 2A is a schematic cross-sectional view showing an example of a silicon epitaxial wafer manufactured by the method for manufacturing a semiconductor device having a super junction structure according to the present invention.
As shown in FIG. 2A, the silicon epitaxial wafer 1 is formed such that the longitudinal direction of the surface MP of the n-type silicon single crystal substrate 2 doped with P, As or Sb coincides with a predetermined direction. A plurality of trenches 5 are formed at regular intervals, and the inside of the trenches 5 is filled with a filled epitaxial layer 3 made of p-type silicon single crystal doped with B. An n-type layer region 4 derived from the substrate 2 is formed between the adjacent filled epitaxial layers 3. As shown in FIG. 3, a p-type silicon single crystal substrate 2 may be used and the filled epitaxial layer 3 may be formed as an n-type layer region.
FIG. 2B is an enlarged schematic cross-sectional view showing the trench of FIG.
As shown in FIG. 2B, the trench 5 has an inner surface WP, and is formed of a groove having a depth d, a width w1 of the opening, and a width w2 at the bottom.

本発明の半導体素子の製造方法で使用することができるシリコン単結晶基板2は、図4に示すような、n型シリコン単結晶基板2a上にエピタキシャル成長法により1Ωcm前後の抵抗率のエピタキシャル層2bを成長させたn/n+型シリコンエピタキシャル基板とすることができる。ここで、基板2の表面の面指数は(100)とすることができる。また、オリフラ方位あるいはノッチ方位は特に限定されるものではないが、(100)とすることができる。
また、トレンチ5の内側面WPの面指数は(010)とすることができ、トレンチ5の開口部の幅w1は底部での幅w2と略等しいか、あるいは、w1をw2よりも広く設定することもでき、この場合、内側面WPの面指数は(010)よりも高指数面となる。
また、トレンチ5の深さdは、例えば5〜100μmとすることができ、トレンチ5の幅w1は、例えば0.5〜6μmとすることができる。
As shown in FIG. 4, a silicon single crystal substrate 2 that can be used in the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention has an epitaxial layer 2b having a resistivity of about 1 Ωcm on an n-type silicon single crystal substrate 2a by an epitaxial growth method. It can be set as the grown n / n + type | mold silicon epitaxial substrate. Here, the surface index of the surface of the substrate 2 can be (100). The orientation flat direction or notch direction is not particularly limited, but can be (100).
The surface index of the inner surface WP of the trench 5 can be (010), and the width w1 of the opening of the trench 5 is substantially equal to the width w2 at the bottom, or w1 is set wider than w2. In this case, the surface index of the inner surface WP becomes a higher index surface than (010).
Moreover, the depth d of the trench 5 can be 5-100 micrometers, for example, and the width w1 of the trench 5 can be 0.5-6 micrometers, for example.

本発明のスーパージャンクション構造を有する半導体素子の製造方法では、まず、前記した図4に示すようなシリコン単結晶基板2を用意する(図1A参照)。
次に、基板2の表面に、周知のフォトリソグラフィー技術により、熱酸化膜からなるシリコン酸化膜6のパターンを形成する(図1B参照)。そして、それらの膜をマスクとして、例えば、反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching)などのドライエッチング法により、縞状に並列pn接合構造を形成するための所定深さのトレンチ5を形成する(図1C、図5参照)。
このように、ドライエッチングを使用すれば、トレンチ内側面の急峻性を高めることができて好ましいが、湿式エッチング法を使用しても良い。
なお、図3に示すような、p型シリコン単結晶基板を用いることもできる。
In the method of manufacturing a semiconductor device having a super junction structure according to the present invention, first, a silicon single crystal substrate 2 as shown in FIG. 4 is prepared (see FIG. 1A).
Next, a pattern of a silicon oxide film 6 made of a thermal oxide film is formed on the surface of the substrate 2 by a known photolithography technique (see FIG. 1B). Then, using these films as a mask, trenches 5 having a predetermined depth for forming parallel pn junction structures in stripes are formed by, for example, dry etching such as reactive ion etching (FIG. 5). 1C, see FIG. 5).
Thus, the use of dry etching is preferable because the steepness of the inner surface of the trench can be increased, but a wet etching method may be used.
A p-type silicon single crystal substrate as shown in FIG. 3 can also be used.

また、RIE等を行うとトレンチ5の内壁に反応生成物やダメージが残るので、必要であればトレンチ内を洗浄し除去する。これらは、水素ベークを十分行うか、ガスエッチングを必要最低限の量行うことで洗浄することができる。
ここで、トレンチ形成工程でマスクとして用いた酸化膜をトレンチ形成後に湿式エッチングにより除去しても良いが、除去せずとも良く、本発明においては特に限定されない。
Further, when RIE or the like is performed, reaction products and damage remain on the inner wall of the trench 5, so that the trench is cleaned and removed if necessary. These can be cleaned by performing sufficient hydrogen baking or performing a minimum amount of gas etching.
Here, the oxide film used as a mask in the trench formation step may be removed by wet etching after the trench formation, but it is not necessary to remove the oxide film and is not particularly limited in the present invention.

次に、トレンチ5を形成したシリコン単結晶基板2上にp型の充填エピタキシャル層3を気相成長させる(図1D、図6参照)。この例はマスク酸化膜6を残した例である。
なお、シリコン単結晶基板にp型を用いた場合には、充填エピタキシャル層をn型層領域とする。
具体的には、気相成長装置内にシリコン単結晶基板2を配置し、基板2を所定温度(例えば1130℃、水素雰囲気中)で熱処理した後、充填エピタキシャル層3を気相成長する。
Next, the p-type filled epitaxial layer 3 is vapor-phase grown on the silicon single crystal substrate 2 in which the trench 5 is formed (see FIGS. 1D and 6). In this example, the mask oxide film 6 is left.
When the p-type is used for the silicon single crystal substrate, the filled epitaxial layer is an n-type layer region.
Specifically, the silicon single crystal substrate 2 is disposed in a vapor phase growth apparatus, the substrate 2 is heat-treated at a predetermined temperature (for example, 1130 ° C. in a hydrogen atmosphere), and then the filled epitaxial layer 3 is vapor-phase grown.

図8は本発明で使用することができる気相成長装置121の一例を示した側面断面概略図である。
図8に示すように、気相成長装置121は、偏平箱状に形成された反応容器122を備え、その一端に形成されたガス導入口171からの原料ガスSGが、流れ調整部124を経て容器本体123の内部空間に水平かつ一方向に供給される。そして、その容器本体123内において、サセプタ収容凹部110内に配設されたサセプタ112上にシリコン単結晶基板2が略水平に1枚のみ配置される。また、反応容器122には、原料ガス導入口171が形成されているのと反対側の端部に、ベンチュリ状の絞り部129を介してガス排出口128が形成されている。
導入された原料ガスSGは、シリコン単結晶基板2の表面上を通過した後ガス排出口128から排気される。
FIG. 8 is a schematic side sectional view showing an example of a vapor phase growth apparatus 121 that can be used in the present invention.
As shown in FIG. 8, the vapor phase growth apparatus 121 includes a reaction vessel 122 formed in a flat box shape, and a source gas SG from a gas inlet 171 formed at one end thereof passes through a flow adjustment unit 124. It is supplied horizontally and in one direction to the internal space of the container body 123. In the container main body 123, only one silicon single crystal substrate 2 is disposed substantially horizontally on the susceptor 112 disposed in the susceptor housing recess 110. In addition, a gas discharge port 128 is formed in the reaction vessel 122 through a venturi-shaped throttle 129 at the end opposite to where the source gas introduction port 171 is formed.
The introduced source gas SG is exhausted from the gas outlet 128 after passing over the surface of the silicon single crystal substrate 2.

ここで、原料ガスSGは、例えばトリクロロシランガスを使用することができる。このトリクロロシランガスは、液体のトリクロロシラン(SiHCl)中に水素ガスをバブリングさせて一定濃度の混合気体とし、バルブ109により流量調整しつつ配管107に導かれる。
また、希釈用の水素ガスがバルブ105を介して配管108に導かれ、両者が最終的にさらに混合されてトリクロロシラン濃度が調整された形で原料ガス導入口171から反応容器122内に流入する。
あるいは、原料ガスSGとして、ジクロロシランを使用することもできる。
また、ドーパントガスが予め水素ガス等で希釈され、マスフローコントローラ104により流量調整されつつ配管106から反応容器122に供給される。
ここで、p型の充填エピタキシャル層3を気相成長させる場合には、ドーパントガスを、例えばジボラン(B)とすることができる。
Here, for example, trichlorosilane gas can be used as the source gas SG. This trichlorosilane gas is bubbled with hydrogen gas in liquid trichlorosilane (SiHCl 3 ) to form a mixed gas having a constant concentration, and is introduced into the pipe 107 while the flow rate is adjusted by the valve 109.
Further, the diluting hydrogen gas is guided to the pipe 108 through the valve 105, and finally flows into the reaction vessel 122 from the raw material gas inlet 171 in a form in which both are further mixed and the trichlorosilane concentration is adjusted. .
Alternatively, dichlorosilane can be used as the source gas SG.
Further, the dopant gas is diluted in advance with hydrogen gas or the like, and supplied to the reaction vessel 122 from the pipe 106 while the flow rate is adjusted by the mass flow controller 104.
Here, when the p-type filled epitaxial layer 3 is vapor-phase grown, the dopant gas can be, for example, diborane (B 2 H 6 ).

そして、シリコン単結晶基板2はサセプタ112とともにモータMにより回転駆動され、さらに赤外線加熱ランプ111にて加熱されながら、原料ガスSGの供給を受けて、トレンチ内にエピタキシャル層が形成される。反応容器内の圧力は常圧であるが、外気の吸い込みを防止するために大気圧よりも少し加圧となるように圧力設定しておくと良い。
ここで、成長温度は850〜1100℃とすることができる。
The silicon single crystal substrate 2 is rotationally driven by the motor M together with the susceptor 112, and further supplied with the source gas SG while being heated by the infrared heating lamp 111, whereby an epitaxial layer is formed in the trench. The pressure in the reaction vessel is a normal pressure, but it is preferable to set the pressure so that the pressure is slightly higher than the atmospheric pressure in order to prevent the intake of outside air.
Here, the growth temperature can be 850 to 1100 ° C.

このとき、原料ガスSGとともにエッチングガスとしての塩化水素を供給しながら充填エピタキシャル層3を気相成長させることが好ましい。具体的には、塩化水素を反応容器122内にバルブ103により流量調整されつつ配管102から供給する。
このように、原料ガスSGとともにエッチングガスとしての塩化水素を供給しながら充填エピタキシャル層3を気相成長させれば、トレンチを埋め込む過程で生じうる空隙(ボイド)を発生しにくくすることができる。
ここで、塩化水素の供給量は、例えば前記成長温度を1000℃とする場合、1.0リットル/分とすることができる。
At this time, it is preferable to vapor-phase grow the filled epitaxial layer 3 while supplying hydrogen chloride as an etching gas together with the source gas SG. Specifically, hydrogen chloride is supplied into the reaction vessel 122 from the pipe 102 while the flow rate is adjusted by the valve 103.
Thus, if the filled epitaxial layer 3 is vapor-phase grown while supplying hydrogen chloride as an etching gas together with the source gas SG, it is possible to make it difficult to generate voids that may occur in the process of filling the trench.
Here, for example, when the growth temperature is 1000 ° C., the supply amount of hydrogen chloride can be 1.0 liter / min.

このようにして、エピタキシャル層の成長が進行すると(図6段階2、段階3参照)、トレンチ5の内部がエピタキシャル層で充填され、最終的に充填エピタキシャル層3となる(図6段階4参照)。
図6に示すように、エピタキシャル層で充填後、さらにエピタキシャル成長を続けると開口部の上方にシリコンが盛り上がり、さらに、酸化膜の上にも広がっていく。このようにして、酸化膜上にオーバーデポ層7が形成される。このように、トレンチを完全にエピタキシャル層で埋めるためには、オーバーデポ層7を形成させる必要がある。
Thus, when the growth of the epitaxial layer proceeds (see step 2 and step 3 in FIG. 6), the inside of the trench 5 is filled with the epitaxial layer, and finally becomes the filled epitaxial layer 3 (see step 4 in FIG. 6). .
As shown in FIG. 6, when the epitaxial growth is continued after filling with the epitaxial layer, silicon rises above the opening and further spreads over the oxide film. In this way, the overdeposit layer 7 is formed on the oxide film. Thus, in order to completely fill the trench with the epitaxial layer, it is necessary to form the over deposition layer 7.

このとき、本発明の半導体素子の製造方法では、前記エピタキシャル層の成長時間を、第2導電型の領域(充填エピタキシャル層)がトレンチ5の開口部まで充填されるまでの時間より長く、トレンチ5の開口部から酸化膜上またはマスク酸化膜を除去した場合にはシリコン基板2の表面上に成長した前記第2導電型の領域のオーバーデポ層7が、隣接する他のトレンチの開口部からのオーバーデポ層7と前記酸化膜上または前記シリコン基板2の表面上で接触するまでに要する時間より短くして、前記オーバーデポ層7同士が接触する前にエピタキシャル成長を停止する。
ここで、前工程で酸化膜6を除去した場合には、前記オーバーデポ層7はシリコン基板2上に形成されることとなるが、このような場合でも、隣接するオーバーデポ層7同士が接触することによって、充填エピタキシャル層3に転位欠陥が発生しうるため、前記と同様にして、オーバーデポ層7同士が接触する前にエピタキシャル成長を停止する。
ここで、前記オーバーデポ層7同士が接触する前にエピタキシャル成長を停止するために、予め実験的にトレンチの幅、深さに対するエピタキシャル成長時間を決定しておき、その成長時間までエピタキシャル成長させるようにすることができる。
At this time, in the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the growth time of the epitaxial layer is longer than the time until the second conductivity type region (filled epitaxial layer) is filled up to the opening of the trench 5. In the case where the oxide film or the mask oxide film is removed from the opening, the over-deposit layer 7 of the second conductivity type region grown on the surface of the silicon substrate 2 is exposed from the opening of another adjacent trench. The epitaxial growth is stopped before the overdepot layers 7 come into contact with each other by making the time shorter than the time required to contact the overdeposit layer 7 on the oxide film or on the surface of the silicon substrate 2.
Here, when the oxide film 6 is removed in the previous step, the overdepot layer 7 is formed on the silicon substrate 2. Even in such a case, adjacent overdeposit layers 7 are in contact with each other. As a result, dislocation defects may occur in the filled epitaxial layer 3, and thus the epitaxial growth is stopped before the overdepot layers 7 contact each other in the same manner as described above.
Here, in order to stop the epitaxial growth before the overdeposition layers 7 come into contact with each other, the epitaxial growth time for the width and depth of the trench is experimentally determined in advance, and the epitaxial growth is performed up to the growth time. Can do.

次に、図7に示すように、トレンチ5の開口部の上方に形成されたオーバーデポ層を研磨により除去する(図1E)。これにより、平坦な表面を得ることができる。   Next, as shown in FIG. 7, the overdeposition layer formed above the opening of the trench 5 is removed by polishing (FIG. 1E). Thereby, a flat surface can be obtained.

以上説明したように、本発明に係るスーパージャンクション構造を有する半導体素子の製造方法に従えば、前記第2導電型の領域のオーバーデポ層が、隣接する他のトレンチの開口部からのオーバーデポ層と前記酸化膜上またはシリコン基板の表面上で接触することによって前記第2導電型の領域に応力が発生するのを防ぐことができるので、トレンチ内に形成する第2導電型の充填エピタキシャル層にいわゆるスリップバックが発生することなく転位欠陥がないスーパージャンクション構造を有する半導体素子を製造することができる。   As described above, according to the method of manufacturing a semiconductor device having a super junction structure according to the present invention, the overdepot layer in the second conductivity type region is an overdeposit layer from the opening of another adjacent trench. Can be prevented from being generated in the region of the second conductivity type by contact with the oxide film or the surface of the silicon substrate, so that the second conductivity type filled epitaxial layer formed in the trench can be prevented. A semiconductor element having a super junction structure free from dislocation defects without causing so-called slipback can be manufactured.

以下、本発明の実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples of the present invention, but the present invention is not limited to these.

(実施例)
まず、図4に示すような、n型シリコン単結晶基板2a上にエピタキシャル成長法により1Ωcm前後の抵抗率のエピタキシャル層2bを成長させ、n/n+型シリコンエピタキシャル基板2を用意した。この基板2は、オリフラ方位あるいはノッチ方位が共に、(100)のものとした。次に、基板2の表面に、酸化膜を形成し、フォトリソグラフィーにより、マスクパターンを形成した後、側壁、底面の結晶方位が(100)であるトレンチ5をRIEにより50μmの深さで形成した(図5参照)。トレンチ5の線幅は4μmとした。
(Example)
First, an epitaxial layer 2b having a resistivity of about 1 Ωcm was grown on an n-type silicon single crystal substrate 2a as shown in FIG. 4 by an epitaxial growth method to prepare an n / n + type silicon epitaxial substrate 2. The substrate 2 has an orientation flat orientation or notch orientation of (100). Next, after forming an oxide film on the surface of the substrate 2 and forming a mask pattern by photolithography, a trench 5 having a crystal orientation of (100) on the side wall and the bottom is formed to a depth of 50 μm by RIE. (See FIG. 5). The line width of the trench 5 was 4 μm.

次いで、犠牲酸化によりトレンチ5内の洗浄、ダメージ除去を行った。その後、トリクロロシランをソースガスとして、HClガスを同時に供給し、前記n型エピタキシャル層1bとほぼ同程度の抵抗率のp型シリコンのエピタキシャル成長を行い、トレンチ5内を含む基板2上にp型領域を形成してトレンチ5を埋め込んだ(図6参照)。   Next, cleaning and damage removal in the trench 5 were performed by sacrificial oxidation. Thereafter, HCl gas is simultaneously supplied using trichlorosilane as a source gas, and epitaxial growth of p-type silicon having substantially the same resistivity as that of the n-type epitaxial layer 1b is performed. To fill the trench 5 (see FIG. 6).

ここで、エピタキシャル成長は、図8に示すような気相成長装置を用い、成長温度を1010℃程度に設定し、トリクロロシランの供給量を多くして、0.5μm/min前後の低速な成長速度でエピタキシャル層を形成した。   Here, the epitaxial growth is performed at a low growth rate of about 0.5 μm / min by using a vapor phase growth apparatus as shown in FIG. 8, setting the growth temperature to about 1010 ° C., and increasing the supply amount of trichlorosilane. Then, an epitaxial layer was formed.

また、エピタキシャル成長は、トレンチ5内が完全に埋まる最低限の時間行った後、トレンチ5の上方にオーバーデポ層が形成され、そのオーバーデポ層がそれぞれ隣接するトレンチ5に形成されるオーバーデポ層と接触する前に停止させた。   The epitaxial growth is performed for a minimum time during which the trench 5 is completely filled, and then an overdeposit layer is formed above the trench 5, and the overdepot layer is formed in each adjacent trench 5. Stopped before contact.

次に、酸化膜6上に形成されたオーバーデボ層を研磨により除去した(図7参照)。
このようにして製造したエピタキシャルウェーハをヘキ開し、断面をフッ素、硝酸、酢酸の混合酸液で選択エッチングした後の光学顕微鏡写真(図9参照)から転位欠陥の有無について調査した。
その結果、図9に示すように、エッチピットはまったく見えず、転位欠陥の発生を防ぐことができていることが確認できた。
Next, the overdevo layer formed on the oxide film 6 was removed by polishing (see FIG. 7).
The epitaxial wafer thus produced was cleaved and the cross section was examined for the presence of dislocation defects from an optical micrograph (see FIG. 9) after selective etching with a mixed acid solution of fluorine, nitric acid and acetic acid.
As a result, as shown in FIG. 9, no etch pits were seen, and it was confirmed that the generation of dislocation defects could be prevented.

(比較例)
実施例と同様の工程でエピタキシャルウェーハを製造し、図10に示すように、エピタキシャル成長をトレンチ5からのオーバーデポ層7が、隣接する他のトレンチ5の開口部からのオーバーデポ層7と酸化膜6上で接触するまで行い、実施例と同様な方法で得た顕微鏡写真(図11参照)から転位欠陥の有無について調査した。
その結果、図11に示すように、転位によるエッチピットが多数発生していることが確認できた。
(Comparative example)
An epitaxial wafer is manufactured in the same process as the embodiment, and as shown in FIG. 10, the overdeposit layer 7 from the trench 5 is epitaxially grown, and the overdeposit layer 7 and the oxide film from the opening of the other adjacent trench 5 are used. 6 until contact was made, and the presence or absence of dislocation defects was examined from a micrograph (see FIG. 11) obtained by the same method as in the example.
As a result, as shown in FIG. 11, it was confirmed that many etch pits were generated due to dislocations.

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。   The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has any configuration that has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention and that exhibits the same effects. Are included in the technical scope.

本発明におけるスーパージャンクション構造を有する半導体素子の製造工程の一例を示すフロー図である。It is a flowchart which shows an example of the manufacturing process of the semiconductor element which has a super junction structure in this invention. 本発明のスーパージャンクション構造を有する半導体素子の製造方法によって製造したシリコンエピタキシャルウェーハの一例を示す概略図である。(A)シリコンエピタキシャルウェーハの概略断面図。(B)トレンチを拡大して示した概略断面図。It is the schematic which shows an example of the silicon epitaxial wafer manufactured with the manufacturing method of the semiconductor element which has a super junction structure of this invention. (A) Schematic sectional view of a silicon epitaxial wafer. (B) The schematic sectional drawing which expanded and showed the trench. 本発明のスーパージャンクション構造を有する半導体素子の製造方法によって製造したシリコンエピタキシャルウェーハの別の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows another example of the silicon epitaxial wafer manufactured by the manufacturing method of the semiconductor element which has a super junction structure of this invention. 本発明のスーパージャンクション構造を有する半導体素子の製造方法で使用することができるシリコン基板の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the silicon substrate which can be used with the manufacturing method of the semiconductor element which has a super junction structure of this invention. 本発明におけるスーパージャンクション構造を有する半導体素子の製造方法のB工程およびC工程におけるウェーハの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the wafer in B process and C process of the manufacturing method of the semiconductor element which has a super junction structure in this invention. 本発明におけるスーパージャンクション構造を有する半導体素子の製造方法のD工程におけるウェーハの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the wafer in D process of the manufacturing method of the semiconductor element which has a super junction structure in this invention. 本発明におけるスーパージャンクション構造を有する半導体素子の製造方法のE工程におけるウェーハの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the wafer in E process of the manufacturing method of the semiconductor element which has a super junction structure in this invention. 本発明において使用することができる気相成長装置の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the vapor phase growth apparatus which can be used in this invention. 実施例にて製造したシリコンエピタキシャルウェーハを選択エッチングした後の光学顕微鏡写真。The optical microscope photograph after selectively etching the silicon epitaxial wafer manufactured in the Example. 比較例にて製造したシリコンエキタピシャルウェーハのトレンチの様子を示した概略断面図である。It is the schematic sectional drawing which showed the mode of the trench of the silicon epitaxial wafer manufactured in the comparative example. 比較例にて製造したシリコンエピタキシャルウェーハを選択エッチングした後の光学顕微鏡写真。The optical microscope photograph after selectively etching the silicon epitaxial wafer manufactured in the comparative example.

符号の説明Explanation of symbols

1…シリコンエピタキシャルウェーハ、2…シリコン基板、
3…充填エピタキシャル層、4…n型領域、5…トレンチ、6…酸化膜、
7…オーバーデポ層、121…気相成長装置。
1 ... silicon epitaxial wafer, 2 ... silicon substrate,
3 ... filling epitaxial layer, 4 ... n-type region, 5 ... trench, 6 ... oxide film,
7: Over deposition layer, 121 ... Vapor growth apparatus.

Claims (2)

第1導電型のシリコン基板上に縞状のトレンチを形成し、該トレンチ内に第2導電型の領域をエピタキシャル成長法により形成し、前記第1導電型のシリコン基板と前記トレンチ内に形成された第2導電型の領域との界面にpn接合構造が形成される、スーパージャンクション構造を有する半導体素子の製造方法において、前記第1導電型のシリコン基板に酸化膜をマスクとして用いてエッチングによりトレンチを形成する工程と、エピタキシャル成長法により前記第2導電型の領域を前記トレンチを形成した前記第1導電型のシリコン基板上に成長させて、前記トレンチを埋め込む工程とを有し、前記エピタキシャル成長法による成長時間を、前記第2導電型の領域がトレンチの開口部まで充填されるまでの時間より長く、前記トレンチの開口部から前記酸化膜上または前記シリコン基板上に成長した前記第2導電型の領域のオーバーデポ層が、隣接する他のトレンチの開口部からのオーバーデポ層と前記酸化膜上または前記シリコン基板上で接触するまでに要する時間より短くすることを特徴とするスーパージャンクション構造を有する半導体素子の製造方法。   A stripe-shaped trench is formed on the first conductivity type silicon substrate, a second conductivity type region is formed in the trench by an epitaxial growth method, and the first conductivity type silicon substrate and the trench are formed. In a method of manufacturing a semiconductor device having a super junction structure in which a pn junction structure is formed at an interface with a second conductivity type region, a trench is formed by etching using an oxide film as a mask on the first conductivity type silicon substrate. And growing the region of the second conductivity type on the first conductivity type silicon substrate in which the trench is formed by the epitaxial growth method, and embedding the trench. The time is longer than the time until the region of the second conductivity type is filled to the opening of the trench, The overdeposit layer of the second conductivity type region grown on the oxide film or the silicon substrate from the opening is formed on the overdeposit layer and the oxide film or the silicon substrate from the opening of another adjacent trench. A method for manufacturing a semiconductor device having a super junction structure, characterized in that the time is shorter than the time required for contact. 前記第2導電型の領域をエピタキシャル成長法により形成する工程では、ジクロロシラン又はトリクロロシランとHClガスを供給しながら第2導電型の領域を形成することを特徴とする請求項1に記載のスーパージャンクション構造を有する半導体素子の製造方法。




2. The super junction according to claim 1, wherein in the step of forming the second conductivity type region by epitaxial growth, the second conductivity type region is formed while supplying dichlorosilane or trichlorosilane and HCl gas. A method for manufacturing a semiconductor device having a structure.




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