JP2015207723A

JP2015207723A - 炭化珪素半導体装置およびその製造方法

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Publication number: JP2015207723A
Application number: JP2014088813A
Authority: JP
Inventors: 義幸中木; Yoshiyuki Nakaki; 中田　修平; Shuhei Nakada; 修平中田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-04-23
Filing date: 2014-04-23
Publication date: 2015-11-19

Abstract

【課題】リセスを有するＳｉＣ−ＪＢＳにおいて、リセス底部のエッジ部に高電界が発生し、逆バイアス時のリーク電流が増加する場合があった。
【解決手段】第１導電型のドリフト領域の表面上に形成された側面がテーパー形状の複数のリセスと、リセスの底面と側面とに接した領域中に形成された第２導電型のｐ型領域と、第２導電型の終端領域と、アノード電極と、カソード電極とを有し、リセスの底面のｐ型領域の不純物の深さ方向プロファイルは、終端領域の不純物の深さ方向プロファイルより浅い箇所に別のピークを有するプロファイルとする。
【選択図】図１

Description

この発明は、炭化珪素半導体装置に関するものであり、特に、電力用半導体装置として用いられる炭化珪素ショットキ接合ダイオード半導体装置およびその製造方法に関する。

電力用半導体装置の１種として、ショットキダイオードとｐｎダイオードが並列されたＪＢＳ（ＪｕｎｃｔｉｏｎＢａｒｒｉｅｒＳｃｈｏｔｔｋｙ）ダイオードまたはＭＰＳ（Ｍｅｒｇｅｄ−ＰｉＮＳｃｈｏｔｔｋｙ）ダイオード（以下、ＪＢＳダイオードという。）が知られている。

炭化珪素半導体を用いたＪＢＳダイオードにおいて、大きなオン電流の確保とリーク電流低減の両立を図ることを目的として、トレンチを形成して深いｐ層を設け、トレンチ側面にもｐ層を設けたＪＢＳ構造などが知られていた（例えば特許文献１）。特許文献１には、トレンチの底面と側面に、濃度プロファイルを持つ領域を形成し、耐圧の低下を抑制することが記載されている。

また、炭化珪素半導体を用いたＪＢＳダイオードにおいて、ショットキ電極下部のｐ層とショットキ電極の外側に形成されるフローティングフィールド領域とを同時に形成することなどが知られていた（例えば特許文献２）。

特開２００９−１０５２００号公報（［００１３］〜［００４０］など）特表２００８−５４１４５９号公報（［００４９］）

ところが、トレンチ（リセス）を形成し、その底部および側部のｐ型の領域を形成した炭化珪素半導体を用いたＪＢＳダイオードのおいては、リセスのエッチング形状のばらつきによってはリセスの底面の周囲に断面方向から見て鋭角なエッジを有する形状ができることがあるなど、断面方向から見たリセス底部のエッジ部に予期しない高電界が発生し、この高電界によりリーク電流が発生する場合があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、アノード電極下部のｐ型領域部に設けられたリセスの側面をテーパー形状にし、リセスの底面の下部に深さ方向の不純物濃度プロファイルが表面から浅い位置と深い位置にピークを持つｐ型領域を形成し、表面から深い位置に不純物濃度のピークを持つ終端構造を形成することによって、逆バイアス電圧印加時のリーク電流が小さく、断面方向から見たリセス底部のエッジ部に高電界が発生するのを抑制した炭化珪素半導体を用いたＪＢＳダイオードおよびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の炭化珪素半導体装置は、第１導電型の炭化珪素半導体基板の第１の主面上に形成された炭化珪素で構成される第１導電型のドリフト領域と、ドリフト領域の表面に形成された側面がテーパー形状の複数のリセスと、リセスの底面と側面とに接したドリフト領域中に形成された第２導電型のｐ型領域と、複数のリセスの周囲に形成された第２導電型の終端領域と、ｐ型領域とドリフト領域の表面に接して形成されドリフト領域とショットキ接触するアノード電極と、炭化珪素半導体基板の第１の主面上と反対の面である第２の主面に炭化珪素半導体基板とオーミック接触して形成されたカソード電極とを備え、リセスの底面のｐ型領域の不純物の深さ方向プロファイルは、終端領域の不純物の深さ方向プロファイルより浅い箇所に別のピークを有するプロファイルであるものである。

また、本発明の炭化珪素半導体装置の製造方法は、第１導電型の炭化珪素半導体基板の第１の主面上に炭化珪素で構成される第１導電型のドリフト領域を形成する工程と、ドリフト領域の表面上に第１のレジストマスクを使用して側面がテーパー形状の複数のリセスを形成する工程と、第１のレジストマスクを使用して複数のリセスの底部および周囲のドリフト領域に第２導電型のイオンを注入する低加速イオン注入工程と、複数のリセスと複数のリセスを取り囲む終端領域とに第２のレジストマスクを使用して第２導電型のイオンを注入する高加速イオン注入工程と、低加速イオン注入工程と高加速イオン注入工程の後に複数のリセスとドリフト領域の表面にドリフト領域とショットキ接触するアノード電極を形成する工程と、炭化珪素半導体基板の第１の主面上と反対の面である第２の主面に炭化珪素半導体基板とオーミック接触するカソード電極を形成する工程とを備えるものである。

本発明によれば、逆バイアス時のリーク電流が小さく、信頼性の高い炭化珪素ＪＢＳダイオード炭化珪素半導体装置を得ることができる。

この発明の実施の形態１における炭化珪素半導体装置を模式的に表す断面図である。この発明の実施の形態１における炭化珪素半導体装置を模式的に表す平面図である。この発明の実施の形態１における炭化珪素半導体装置の製造方法を模式的に表す断面模式図である。この発明の実施の形態１における炭化珪素半導体装置の製造方法を模式的に表す断面模式図である。この発明の実施の形態１における炭化珪素半導体装置の製造方法を模式的に表す断面模式図である。この発明の実施の形態１における炭化珪素半導体装置のｐ型領域の不純物濃度プロファイルを示す図である。この発明の実施の形態１における炭化珪素半導体装置の逆バイアス時のリーク特性を示す図である。この発明の実施の形態１における炭化珪素半導体装置のリーク電流増加割合のドーズ依存性を示す図である。この発明の実施の形態２における炭化珪素半導体装置を模式的に表す断面図である。

実施の形態１．
まず、本発明の実施の形態１における炭化珪素半導体装置の構成を説明する。ここでは、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型として説明する。

図１は、本発明の実施の形態１における炭化珪素半導体装置を模式的に示す断面図である。また、図２は、図１の炭化珪素半導体装置の構成を模式的に示す平面図である。図１、図２の炭化珪素半導体装置は、縦型の炭化珪素（ＳｉＣ）−ＪＢＳダイオードである。

図１において、ｎ型の炭化珪素半導体基板１の第１の主面上に炭化珪素で構成されるｎ型のドリフト領域２が形成されている。ドリフト領域２の表面上には、周期的に複数のリセス３が形成されている。リセス３の下部のドリフト領域２には、ｐ型のｐ型領域４が形成されている。また、複数のリセス３が形成されている領域の上面から見た周囲には、複数のリセス３と離間して、ｐ型の終端構造５が形成されている。

所定の間隔をおいて周期的に形成されたリセス３とそれらの間と周囲のドリフト領域２の上部には、ドリフト領域２とショットキ接続するアノード電極６が形成されている。また、アノード電極６の周囲および終端構造５の上部には保護層７が形成されている。さらに、炭化珪素半導体基板１の第１の主面と反対側の第２の主面に接して、炭化珪素半導体基板１とオーミック接触するカソード電極８が形成されている。

ｎ型の炭化珪素半導体基板１は、例えば、（０００１）面に対して［１１−２０］軸方向に４度傾斜した第１の主面を表面に備えた４Ｈのポリタイプを有するもので、その不純物濃度は１×１０^１9ｃｍ^-３程度で、比抵抗が１５〜２５ｍΩｃｍのものとする。ドリフト領域２は、ｎ型であり、例えば、厚さが４〜３０μｍで、その不純物濃度は３×１０^１5〜３×１０^１6ｃｍ^-３のものとする。

リセス３は、図１にその断面図を示したように、側面が第１の主面に対して垂直では無く、１０度以上、３０度以下の角度のテーパーを有している。リセス３の深さは、ドリフト領域２の厚さより小さければ良く、例えば、０．２以上、５μｍ以下程度であればよい。

ｐ型領域４と終端構造５とは、ともにドリフト領域２の表層部に炭化珪素を第２導電型にするアルミニウム（Ａｌ）イオン、ボロン（Ｂ）イオンなどのイオンを注入して形成される。ｐ型領域４は、深さ方向に２つの不純物濃度ピークを有し、ｐ型領域４の浅い方の不純物濃度ピークの表面からの深さは、終端構造５の不純物の不純物濃度ピークの表面からの深さと同じである。

アノード電極６は、ドリフト領域２に対してショットキ接触するチタン、ニッケル、白金などであればよく、厚さは、１００〜５００ｎｍであればよい。保護層７は、ポリイミド、シリコン窒化膜などの絶縁性の膜であればよい。また、カソード電極８は、炭化珪素半導体基板１とオーミック接触するものであればよく、ニッケルシリサイドなどのシリサイド、または、シリサイドを含む膜、シリサイドとモリブデンなどの金属層との複合膜で構成すればよい。

次に、本発明の本実施の形態の炭化珪素半導体装置である縦型のＳｉＣ−ＪＢＳダイオードの製造方法を、図３〜図５を用いて説明する。図３〜図５は、本発明の実施の形態１における炭化珪素半導体装置の製造方法を模式的に表す断面模式図である。

まず、ｎ型の炭化珪素半導体基板１上にＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によりドリフト領域２をエピタキシャル成長する。炭化珪素半導体基板１およびドリフト領域２のｎ型不純物としては、リン（Ｐ）または窒素（Ｎ）を用いればよい。

次に、図３にその断面図を示すように、リセス３を形成しない領域のドリフト領域２の表面上にレジストマスク９ａを形成し、ドリフト領域２の一部をフッ素系ガスによる反応性イオンエッチングなどの方法によりドライエッチングする。ここでは、ドライエッチング中にレジストマスク９ａが断面横方向に後退することにより、リセス３の側面が炭化珪素半導体基板１の第１の主面に対して垂直ではなく、テーパーを有する構造が形成される。このように、ドライエッチング中にレジストマスク９ａが断面横方向に後退するように、エッチングはＳＦ_６ガスを用いた高密度プラズマ加工により行なった。

続いて、図４にその断面図を示すように、レジストマスク９ａを用いて、Ａｌをイオン注入する。注入された領域４ａはｐ型領域４部分の一部となる。このときのＡｌのイオン注入は、例えば、２００ｋｅＶの加速エネルギー、３×１０^１3ｃｍ^-2のドーズ量の条件で行なう（低加速イオン注入工程）。

レジストマスク９ａを除去後に、図５にその断面図を示すように、終端構造５部分とｐ型領域４部分とに開口を有するレジストマスク９ｂを形成し、Ａｌをイオン注入する。今回のＡｌのイオン注入は、例えば、７００ｋｅＶの加速エネルギーで２×１０^１3ｃｍ^-2のドーズ量で行なう（高加速イオン注入工程）。レジストマスク９ｂのｐ型領域４部分の開口は、レジストマスク９ａの４ａ領域の開口よりわずかにおおきめに設定される。

続いて、レジストマスク９ｂを除去し、イオン注入されたドリフト領域２の表面をグラファイト膜の形成などにより保護した後に、例えば１６００℃以上の活性化アニールを行なう。次に、グラファイト膜を除去、炭化珪素半導体基板１の裏面にスパッタ法によりカソード電極８を形成し、また、ドリフト領域２、ｐ型領域４上にスパッタ法によりアノード電極６を形成する。続いて、アノード電極６周囲上と終端構造５上を含む領域上に保護層７を形成することにより、図１にその断面を示す縦型のＳｉＣ−ＪＢＳダイオードが製造できる。

このようにして製造された本実施の形態の炭化珪素半導体装置であるＳｉＣ−ＪＢＳダイオードのリセス３の底部のｐ型領域４のリセス３底部からの深さ方向のＡｌの不純物濃度を図６に示す。図６において、破線（浅い方）が、リセス３のエッチング直後のイオン注入による不純物のプロファイルであり、点線（深い方）が、終端領域５に注入される不純物のプロファイルである。リセス３底部のｐ型領域４は、破線と点線とを合わせた実線の不純物プロファイルを有する。
注入に時間を要する深い位置へのイオン注入は、ｐ型領域４と終端領域５との両方になされるので、効率的な注入が可能である。

次に、このようにして形成されたＳｉＣ−ＪＢＳダイオードの逆バイアス時のリーク電流の逆バイアス電圧依存性を、リセス３のエッチング直後のイオン注入が無いＳｉＣ−ＪＢＳダイオード（比較例）の同特性と比較して、図７に示す。図７に示すように、リセス３のエッチング直後のイオン注入が無く、ｐ型領域４の全不純物面密度が低いＪＢＳダイオードでは、ｐ型領域４が空乏化された後のリセス３のエッジ部に高電界が発生するため、比較的低い逆バイアス電圧のときから逆バイアス時のリーク電流が増加する。また、終端領域５にもｐ型領域４と同様にリセス３のエッチング直後のイオン注入のような低加速注入を行なうと、終端領域５のチップエッジ側、すなわち、リセス３の反対側の端部に高電界が発生し、逆バイアスの保持が十分にできなくなる。

これに対して、本実施の形態のＳｉＣ−ＪＢＳダイオードでは、終端領域５には高加速注入のみを行ない、ｐ型領域４には高加速注入と低加速注入の両方を行なうことにより終端領域５より高い面密度の不純物を注入しているので、逆バイアス時のリーク電流が小さく、信頼性の高いＳｉＣ−ＪＢＳダイオードを得ることができる。

図８に、終端部５と同時に注入するドーズが２×１０^１3ｃｍ^-2の場合の、リセス３のエッチング直後のイオン注入のドーズに対するアバランシェ降伏直前に期待される電流量（Ｉｒ_０）に対する電流量（Ｉｒ）の比（リーク電流増加割合）を示す。ここで、Ｉｒ_０／Ｉｒは１に近いほど良い。Ｉｒ_０は、図７の比較例のように変曲点なく指数関数的単調に増加する特性を有するもので、ｐ型領域４に十分なドーズを注入した場合に、安定した値が得られる。

なお、図８に示した結果は、リセス３のエッチング直後のイオン注入において、加速エネルギーが２００ｋｅＶでドーズが０〜３×１０^１3ｃｍ^-2の注入と加速エネルギーが５０ｋｅＶでドーズが０〜４×１０^１3ｃｍ^-2の注入を適宜組み合わせたものに対する結果であるが、加速エネルギーに依らずリセス３のエッチング直後１×１０^１3ｃｍ^-2以上のドーズの注入を行えば、リセス底部のエッジ部に高電界が発生することを抑制することができることが分かる。
すなわち、終端部５と同時に注入するドーズと合わせると、ｐ型領域４には、３×１０^１3ｃｍ^-2以上のドーズを行えば、安定してリセス底部のエッジ部に高電界が発生することを抑制することができることが分かる。

また、図３に示したリセス３と同時に、ウエハプロセスで必要になるアライメントマークをリセス３と同じ深さに形成することもできる。このようにすることにより、ウエハプロセスの簡略化を図ることができる。

このように、本実施の形態の炭化珪素半導体装置であるＳｉＣ−ＪＢＳダイオードによれば、リセス３の側面にテーパーを形成しているので、リセス底面の不純物プロファイルの一部がリセス側面部にも反映され、リセス３の底部のエッジ部近傍の電界集中を抑制することができる。また、終端構造５の耐圧特性を十分に高めることができ、逆バイアス時のリーク電流を小さくすることができる。したがって、本実施の形態によれば、逆バイアス時のリーク電流が小さく、信頼性の高いＳｉＣ−ＪＢＳダイオード炭化珪素半導体装置を得ることができる。

なお、リセス３の側面のテーパーの角度については、３０度より大きくなると、ｐ層領域４の底部の間隔が広くなるため、アノード電極６とドリフト領域２との界面における電界強度を抑制しにくくなり、逆方向電流が十分に抑制できなくなるので、好ましくない。また、テーパーの角度が１０度より小さくなると、チルトをしないイオン注入でｐ型領域４を形成した場合、リセス側面部の不純物濃度が余弦則に従って大きく低下し、リセス３底部のエッヂ部の電界緩和効果が小さくなるので、好ましくない。

また、本実施の形態のおいては、イオン注入後の活性化アニール時に、グラファイト膜による表面保護を実施したが、表面荒れを防止する技術なら他の手段を用いて表面荒れを防止してもよい。
さらに、本実施の形態においては、リセスの配置についてストライプ状のリセスの例を示したが、これは一例にすぎず、ドット状のリセス、クロス状のリセスであっても本実施の形態と同様の効果を奏する。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２における炭化珪素半導体装置であるＳｉＣ−ＪＢＳダイオードの構成を説明する。図９は、本発明の実施の形態２における炭化珪素半導体装置であるＳｉＣ−ＪＢＳダイオードを示す断面模式図である。

本実施の形態の半導体装置においては、実施の形態１のＳｉＣ−ＪＢＳダイオードでは、リセス３の側面がテーパー形状に形成されていたところを、リセス３の側面を炭化珪素半導体基板１の第１の主面上に対して垂直に形成して、リセス３形成後のイオン注入をチルトをつけて行なっている。その他の部分については、実施の形態１で説明したものと同様であるので詳しい説明を省略する。
その結果、本発明の実施の形態における炭化珪素半導体装置であるＳｉＣ−ＪＢＳダイオードは、実施の形態１と同様のｐ型領域４と終端領域５とを備えることができ、逆バイアス時のリーク電流が小さく、信頼性の高いＳｉＣ−ＪＢＳダイオード炭化珪素半導体装置を得ることができる。

本実施の形態においては、実施の形態１の図３と同様にリセス３形成用のレジストマスク９ａに対応するマスクを酸化珪素材料で形成した後、フッ素系ガスによる反応性イオンエッチングをすることで所望の深さのリセス３を形成する。ここでは、フッ素系のガスにて基板温度を適切に制御することで垂直形状のリセス３を形成した。この後、チルト角度を３０度にしてＡｌイオンを回転注入した。その後の工程は実施の形態１と同様に行なった。ここで、図８の結果と同様に、ｐ型領域４の実効的なドーズ量が３×１０^１3ｃｍ^-2以上となるようにイオン注入条件を設定した。

このように、本実施の形態の炭化珪素半導体装置であるＳｉＣ−ＪＢＳダイオードは、簡易な方法で、逆バイアス時のリーク電流が小さく、信頼性の高いＳｉＣ−ＪＢＳダイオード炭化珪素半導体装置を得ることができる。

なお、実施の形態１、２においては、第１の導電型をｎ型、第２の導電型をｐ型として説明したが、これに限るものではなく、第１の導電型をｐ型、第２の導電型をｎ型としても同様の効果を奏する。

１炭化珪素半導体基板、２ドリフト領域、３リセス、４ｐ型領域、５終端構造、６アノード電極、７保護層、８カソード電極、９レジストマスク。

Claims

第１導電型の炭化珪素半導体基板の第１の主面上に形成された炭化珪素で構成される第１導電型のドリフト領域と、
前記ドリフト領域の表面に形成された側面がテーパー形状の複数のリセスと、
前記リセスの底面と側面とに接した前記ドリフト領域中に形成された第２導電型のｐ型領域と、
前記複数のリセスの周囲に前記複数のリセスと離間して形成された第２導電型の終端領域と、
前記ｐ型領域と前記ドリフト領域の表面に接して形成され前記ドリフト領域とショットキ接触するアノード電極と、
前記炭化珪素半導体基板の前記第１の主面上と反対の面である第２の主面に前記炭化珪素半導体基板とオーミック接触して形成されたカソード電極と
を備え、
前記リセスの底面の前記ｐ型領域の不純物の深さ方向プロファイルは、前記終端領域の不純物の深さ方向プロファイルより浅い箇所に別のピークを有するプロファイルであることを特徴とする炭化珪素半導体装置。
リセスの底部のｐ型領域の不純物面密度が３×１０¹³ｃｍ^-2以上であることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素半導体装置。
テーパーの角度が１０度以上、３０度以下であることを特徴である請求項１に記載の炭化珪素半導体装置。
リセスと重ねあわせ用アライメントマークが同じ深さであることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素半導体装置。
第１導電型の炭化珪素半導体基板の第１の主面上に炭化珪素で構成される第１導電型のドリフト領域を形成する工程と、
前記ドリフト領域の表面上に第１のレジストマスクを使用して側面がテーパー形状の複数のリセスを形成する工程と、
前記第１のレジストマスクを使用して前記複数のリセスの底部および周囲の前記ドリフト領域に第２導電型のイオンを注入する低加速イオン注入工程と、
前記複数のリセスと前記複数のリセスを取り囲む終端領域とに第２のレジストマスクを使用して第２導電型のイオンを注入する高加速イオン注入工程と、
前記低加速イオン注入工程と前記高加速イオン注入工程の後に前記複数のリセスと前記ドリフト領域の表面に前記ドリフト領域とショットキ接触するアノード電極を形成する工程と、
前記炭化珪素半導体基板の第１の主面上と反対の面である第２の主面に前記炭化珪素半導体基板とオーミック接触するカソード電極を形成する工程と
を備えることを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。