JP6511034B2 - 炭化珪素半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、炭化珪素半導体装置の製造方法に関する。

炭化珪素の半導体基板を用いて形成される炭化珪素半導体装置の開発が進められており、その一例が特許文献１に開示される。この種の炭化珪素半導体装置の製造方法は、ｎ型のドリフト領域とｐ型のボディ領域が積層するとともにボディ領域が一方の主面に露出する炭化珪素の半導体基板を準備する準備工程と、半導体基板の一方の主面に向けてｎ型の不純物を照射してボディ領域内にソース領域を形成するソース領域形成工程と、異方性エッチング技術を利用して、半導体基板の一方の主面からソース領域とボディ領域を貫通してドリフト領域に達するトレンチを形成するトレンチ形成工程と、トレンチの内壁にゲート絶縁膜を被覆する被膜工程と、ゲート絶縁膜で被膜されたトレンチ内及び半導体基板の一方の主面上に導電層を形成する導電層形成工程と、導電層をエッチバックしてトレンチ内にゲート電極を形成するエッチバック工程と、を備える。

特開２０１３−８７１６号公報

導電層をエッチバックするエッチバック工程は、半導体基板の一方の主面上に導電層が残存しないように、導電層をエッチバックした後のゲート電極の上面がトレンチ内に位置するように制御するとともに、そのゲート電極の上面がソース領域の深さよりも浅くなるように制御しなければならない。エッチバックの処理時間に基づく制御では、導電層をエッチバックするときのバラツキによってゲート電極の上面を所望の位置に位置決めすることが難しい。本明細書は、導電層をエッチバックしてトレンチ内にゲート電極を形成するエッチバック工程において、ゲート電極の上面を所望の位置に位置決めすることができる製造技術を提供する。

本明細書が開示する炭化珪素半導体装置の製造方法は、準備工程、拡散領域形成工程、トレンチ形成工程、エッチング工程、被膜工程、導電層形成工程及びエッチバック工程を備える。準備工程は、第１導電型のドリフト領域と第２導電型のボディ領域が積層するとともにボディ領域が一方の主面に露出する炭化珪素の半導体基板を準備する。拡散領域形成工程は、半導体基板の一方の主面に向けて第１導電型の不純物を照射してボディ領域内に拡散領域を形成する。拡散領域は不純物濃度が相対的に薄い低濃度拡散領域と不純物濃度が相対的に濃い高濃度拡散領域を有しており、低濃度拡散領域が高濃度拡散領域よりも深い。トレンチ形成工程は、異方性エッチング技術を利用して、半導体基板の一方の主面から高濃度拡散領域と低濃度拡散領域とボディ領域を貫通してドリフト領域に達するトレンチを形成する。エッチング工程は、等方性エッチング技術を利用して、トレンチの側面をエッチングする。エッチング工程では、低濃度拡散領域に対応するトレンチの側面と高濃度拡散領域に対応するトレンチの側面の間に角部が形成される。被膜工程は、トレンチの内壁にゲート絶縁膜を被覆する。導電層形成工程は、ゲート絶縁膜で被膜されたトレンチ内及び半導体基板の一方の主面上に導電性の導電層を形成する。エッチバック工程は、導電層をエッチバックしてトレンチ内にゲート電極を形成する。エッチバック工程は、反応室内のガスのうちの少なくとも１種類の被監視ガスの濃度を監視することと、被監視ガスの濃度の経時変化が角部に応じて変化したときに、導電層のエッチバックを停止することと、を有する。

上記炭化珪素半導体装置の製造方法では、拡散領域形成工程において、不純物濃度が異なる低濃度拡散領域と高濃度拡散領域を形成する。このため、エッチング工程では、低濃度拡散領域と高濃度拡散領域のエッチング速度の相違に基づいて、低濃度拡散領域に対応するトレンチの側面と高濃度拡散領域に対応するトレンチの側面の間に角部が形成される。これにより、エッチバック工程において、被監視ガスの濃度の経時変化が角部に応じて急激に変化する。この被監視ガスの濃度の変化を利用してエッチバックを停止すると、ゲート電極の上面は低濃度拡散領と高濃度拡散領域の境界の深さに位置決めされる。このように、上記炭化珪素半導体装置の製造方法によると、ゲート電極の上面をトレンチ内であって低濃度拡散領域よりも浅い位置に位置決めすることができる。

実施例の炭化珪素半導体装置の半導体基板の要部断面図を模式的に示す。 実施例の炭化珪素半導体装置の製造過程の要部断面図を模式的に示す。 実施例の炭化珪素半導体装置の製造過程の要部断面図を模式的に示す。 実施例の炭化珪素半導体装置の製造過程の要部断面図を模式的に示す。 実施例の炭化珪素半導体装置の製造過程の要部断面図を模式的に示す。 実施例の炭化珪素半導体装置の製造過程の要部断面図を模式的に示す。 実施例の炭化珪素半導体装置の製造過程の要部断面図を模式的に示す。 実施例の炭化珪素半導体装置の製造過程のエッチバック工程において、排出ガス中のシリコン濃度の経時変化を示す。

以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。

本明細書が開示する炭化珪素半導体装置としては、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）及びＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が例示される。これらの炭化珪素半導体装置の製造方法は、準備工程、拡散領域形成工程、トレンチ形成工程、エッチング工程、被膜工程、導電層形成工程及びエッチバック工程を備えていてもよい。

準備工程は、第１導電型のドリフト領域と第２導電型のボディ領域が積層するとともにボディ領域が一方の主面に露出する炭化珪素の半導体基板を準備してもよい。

拡散領域形成工程は、半導体基板の一方の主面に向けて第１導電型の不純物を照射してボディ領域内に拡散領域を形成してもよい。拡散領域は不純物濃度が相対的に薄い低濃度拡散領域と不純物濃度が相対的に濃い高濃度拡散領域を有していてもよく、低濃度拡散領域が高濃度拡散領域よりも深い。ここで、「相対的」という用語は、低濃度拡散領域と高濃度拡散領域の不純物濃度の比較のためだけに用いられている。換言すれば、低濃度拡散領域の不純物濃度が高濃度拡散領域の不純物濃度よりも薄い。拡散領域は、低濃度拡散領域及び高濃度拡散領域低以外の領域を有していてもよい。例えば、低濃度拡散領域よりも深い位置に他の領域が設けられていてもよいし、高濃度拡散領域よりも浅い位置に他の領域が設けられていてもよい。

トレンチ形成工程は、異方性エッチング技術を利用して、半導体基板の一方の主面から高濃度拡散領域と低濃度拡散領域とボディ領域を貫通してドリフト領域に達するトレンチを形成してもよい。

エッチング工程は、等方性エッチング技術を利用して、トレンチの側面をエッチングしてもよい。例えば、エッチング工程は、ＣＦ₄およびＯ₂を含む反応ガスに用いたドライエッチングによって実施されてもよい。エッチング工程では、高濃度拡散領域のエッチング速度が低濃度拡散領域のエッチング速度よりも速いので、低濃度拡散領域に対応するトレンチの側面と高濃度拡散領域に対応するトレンチの側面の間に角部が形成される。ここでいう「角部」は、低濃度拡散領域に対応するトレンチの側面と高濃度拡散領域に対応するトレンチの側面が非平行な関係であることを意味する。例えば、低濃度拡散領域に対応するトレンチの側面と高濃度拡散領域に対応するトレンチの側面が曲面で連結していてもよい。

被膜工程は、トレンチの内壁にゲート絶縁膜を被覆してもよい。

導電層形成工程は、ゲート絶縁膜で被膜されたトレンチ内及び半導体基板の一方の主面上に導電層を形成してもよい。

エッチバック工程は、導電層をエッチバックしてトレンチ内にゲート電極を形成してもよい。例えば、エッチバック工程は、導電層が導電性のポリシリコン層の場合、Ｃｌ₂を含む反応ガスを用いたドライエッチングによって実施されてもよい。エッチバック工程は、反応室内のガスのうちの少なくとも１種類の被監視ガスの濃度を監視することと、被監視ガスの濃度の経時変化が角部に応じて変化したときに、導電層のエッチバックを停止することと、を有していてもよい。被監視ガスの種類は、導電層のエッチバックが角部まで進行したときに、その濃度が変化するものであればよい。例えば、被監視ガスは、導電層が導電性のポリシリコン層の場合、エッチングされたポリシリコン層由来のシリコンを含むガスであってもよい。この場合、シリコンの濃度の経時変化は、角部に応じて減少する向きに変化する。あるいは、被監視ガスは、ゲート電極をエッチングするために反応室に供給される反応ガスであってもよい。この場合、反応ガスの濃度の経時変化は、角部に応じて増加する向きに変化する。また、被監視ガスの濃度を監視する方法は、特に限定されるものではなく、物理的又は化学的な手法が用いられ得る。また、被監視ガスの濃度を監視するためには、被監視ガスの濃度を求める必要はなく、被監視ガスの濃度に依存する物理量を監視してもよい。例えば、反応室内のプラズマ光の特定波長の発光強度を監視してもよい。

上記炭化珪素半導体装置の製造方法では、拡散領域形成工程が、半導体基板の一方の主面から第１の深さまで窒素を導入する第１導入工程と、第１導入工程の後に、半導体基板の一方の主面から第１の深さよりも浅い第２の深さまでリンを導入する第２導入工程と、を有していてもよい。炭化珪素の半導体基板では、リンは高濃度に導入できるものの注入ダメージが多く、窒素は注入ダメージが少ないものの高濃度に導入することができない。上記製造方法によると、注入ダメージが多い部分を拡散領域内の一部に限定するとともに半導体基板の一方の主面上に形成される電極に対して良好なコンタクトを取ることができる。

図１に示されるように、炭化珪素半導体装置１は、ＭＯＳＦＥＴと称されるパワー半導体素子であり、半導体基板１０、半導体基板１０の裏面１０ｂを被覆するドレイン電極２２、半導体基板１０の表面１０ａを被覆するソース電極２４及び半導体基板１０の表層部に設けられている絶縁トレンチゲート３０を備える。

半導体基板１０は、４Ｈの炭化珪素を材料とする炭化珪素基板であり、表面１０ａの結晶面が（０００１）のＳｉ面に対してオフ角だけ傾斜している。オフ角は、例えば４°である。半導体基板１０は、ｎ型のドレイン領域１１、ｎ型のドリフト領域１２、ｐ型のボディ領域１３及びｎ型のソース領域１４を有する。

ドレイン領域１１は、半導体基板１０の裏層部に配置されており、半導体基板１０の裏面１０ｂに露出する。ドレイン領域１１は、後述するドリフト領域１２がエピタキシャル成長するための下地基板でもある。ドレイン領域１１は、半導体基板１０の裏面１０ｂを被膜するドレイン電極２２にオーミック接触する。

ドリフト領域１２は、ドレイン領域１１上に設けられている。ドリフト領域１２は、エピタキシャル成長技術を利用して、ドレイン領域１１の表面から結晶成長して形成される。ドリフト領域１２の不純物濃度は、半導体基板１０の厚み方向に一定である。

ボディ領域１３は、ドリフト領域１２上に設けられており、半導体基板１０の表層部に配置されている。ボディ領域１３は、イオン注入技術を利用して、半導体基板１０の表層部にアルミニウムを導入して形成される。

ソース領域１４は、ボディ領域１３上に設けられており、半導体基板１０の表層部に配置されており、ボディ領域１３によってドリフト領域１２から隔てられている。ソース領域１４は、低濃度ソース領域１４ａと高濃度ソース領域１４ｂを有する。低濃度ソース領域１４ａの不純物濃度は、高濃度ソース領域１４ｂの不純物濃度よりも薄い。低濃度ソース領域１４ａは、高濃度ソース領域１４ｂよりも深い位置に設けられており、ボディ領域１３と高濃度ソース領域１４ｂの間に配置されており、ボディ領域１３と高濃度ソース領域１４ｂの双方に接する。低濃度ソース領域１４ａは、絶縁トレンチゲート３０の側面に接する。高濃度ソース領域１４ｂは、低濃度ソース領域１４ａよりも浅い位置に設けられており、半導体基板１０の表面１０ａに露出する。高濃度ソース領域１４ｂは、層間絶縁膜３６の側面に接する。ソース領域１４は、イオン注入技術を利用して、半導体基板１０の表層部に窒素及びリンを導入して形成される。低濃度ソース領域１４ａはｎ型不純物として窒素を含んでおり、高濃度ソース領域１４ｂはｎ型不純物として窒素とリンを含む。高濃度ソース領域１４ｂは、半導体基板１０の表面１０ａを被膜するソース電極２４にオーミック接触する。

絶縁トレンチゲート３０は、半導体基板１０の表層部に形成されているトレンチ内に充填されており、ソース領域１４とボディ領域１３を貫通してドリフト領域１２に達する。絶縁トレンチゲート３０は、ゲート絶縁膜３２及びゲート電極３４を有する。ゲート絶縁膜３２は、酸化シリコンである。ゲート電極３４は、ゲート絶縁膜３２を介してドリフト領域１２、ボディ領域１３及び低濃度ソース領域１４ａに対向する。ゲート電極３４は、不純物を含むポリシリコンである。

次に、図１を参照し、炭化珪素半導体装置１の動作を説明する。ドレイン電極２２に正電圧が印加され、ソース電極２４が接地され、絶縁トレンチゲート３０のゲート電極３４が接地されていると、炭化珪素半導体装置１はオフである。

ドレイン電極２２に正電圧が印加され、ソース電極２４が接地され、絶縁トレンチゲート３０のゲート電極３４にソース電極２４よりも正となる電圧が印加されていると、炭化珪素半導体装置１はオンである。このとき、ソース領域１４とドリフト領域１２を隔てるボディ領域１３のうちの絶縁トレンチゲート３０の側方の部分に反転層が形成される。ソース領域１４から供給される電子は、その反転層を経由してドリフト領域１２に達する。ドリフト領域１２に達した電子は、ドリフト領域１２を経由してドレイン領域１１に流れる。

次に、炭化珪素半導体装置１の製造方法を説明する。まず、図２に示されるように、ドレイン領域１１とドリフト領域１２とボディ領域１３が形成されている半導体基板１０を準備する（準備工程）。この半導体基板１０は、エピタキシャル成長技術を利用してドレイン領域１１からドリフト領域１２を結晶成長させた後に、イオン注入技術を利用してドリフト領域１２の一部にアルミニウムを導入してボディ領域１３を形成することで準備される。

次に、図３に示されるように、イオン注入技術を利用して、半導体基板１０の表面１０ａに向けて窒素及びリンを照射してボディ領域１３内にソース領域１４を形成する（拡散領域形成工程）。具体的には、イオン注入技術を利用して、半導体基板１０の表面１０ａから第１の深さＤ１まで窒素を導入した後に、半導体基板１０の表面１０ａから第１の深さＤ１よりも浅い第２の深さＤ２までリンを導入する。これにより、半導体基板１０の表層部において、深い位置（Ｄ２よりも深くＤ１よりも浅い位置）に窒素を選択的に含む低濃度ソース領域１４ａが形成され、浅い位置（Ｄ２よりも浅い位置）に窒素とリンを含む高濃度ソース領域１４ｂが形成される。炭化珪素の半導体基板１０では、リンは高濃度に導入できるものの原子半径が大きいことから注入ダメージが多く、窒素は原子半径が小さいことから注入ダメージが少ないものの高濃度に導入することができない。上記製造方法によると、注入ダメージが多い部分を高濃度ソース領域１４ｂ内に限定するとともにソース電極２４に対して良好なコンタクトを取ることができる。

次に、図４に示されるように、半導体基板１０の表面１０ａにマスク４２をパターニングする。次に、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）技術を利用して、半導体基板１０の表面１０ａから高濃度ソース領域１４ｂと低濃度ソース領域１４ａとボディ領域１３を貫通してドリフト領域１２に達するトレンチＴｒ１０を形成する（トレンチ形成工程）。この工程では、ＣＨＦ₃を含む反応ガスが用いられる。

次に、図５に示されるように、ＣＤＥ（Chemical Dry Etching）技術を利用して、トレンチＴｒ１０の側面をエッチングする（エッチング工程）。この工程では、ＣＦ₄およびＯ₂を含む反応ガスが用いられる。イオン注入時のダメージによって、高濃度ソース領域１４ｂの結晶欠陥密度が低濃度ソース領域１４ａの結晶欠陥密度よりも大きい。このため、この工程では、高濃度ソース領域１４ｂのエッチング速度が低濃度ソース領域１４ａのエッチング速度よりも速くなるので、低濃度ソース領域１４ａに対応するトレンチＴｒ１０の側面Ｓ１と高濃度ソース領域１４ｂに対応するトレンチＴｒ１０の側面Ｓ２の間に角部１５が形成される。また、半導体基板１０の表面１０ａに平行な面とトレンチＴｒ１０の側面Ｓ１の角度は、半導体基板１０の表面１０ａに平行な面とトレンチＴｒ１０の側面Ｓ２の角度よりも小さい。

次に、図６に示されるように、ＣＶＤ技術を利用して、トレンチＴｒ１０の内壁及び半導体基板１０の表面１０ａにゲート絶縁膜３２を被膜する（被膜工程）。さらに、ＣＶＤ技術を利用して、ゲート絶縁膜３２で被膜されたトレンチＴｒ１０内及び半導体基板１０の表面１０ａ上に導電性のポリシリコン層３８を形成する（導電層形成工程）。

次に、図７に示されるように、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）技術を利用して、ポリシリコン層３８をエッチバックしてトレンチＴｒ１０内にゲート電極３４を形成する（エッチバック工程）。この工程では、Ｃｌ_２を含む反応ガスが用いられる。

図８に、エッチバック工程において、反応室内のシリコン濃度の経時変化を示す。反応室内のシリコンは、エッチングされたポリシリコン層３８に由来する。このため、反応室内のシリコン濃度は、エッチバック工程においてエッチングされるポリシリコン層３８の面積、即ち、反応室内に露出するポリシリコン層３８の面積に依存する。シリコン濃度は、反応室内のプラズマ光の特定波長の発光強度から計測することができる。具体的には、Ｓｉ及びＳｉＣｌの代表的な波長である２８８ｎｍの発光強度からシリコン濃度を計測することができる。

図８に示されるように、シリコン濃度は、時間Ｔ１と時間Ｔ２において急激に変化する。時間Ｔ１は、半導体基板１０の表面１０ａ上に堆積していたポリシリコン層３８がエッチングされたタイミングである。時間Ｔ１に達するまでは、半導体基板１０の表面１０ａ上に堆積していたポリシリコン層３８がエッチングされる。このため、反応室内に露出するポリシリコン層３８の面積が大きく、反応室内のシリコン濃度が濃い。時間Ｔ１の後は、トレンチＴｒ１０内に充填されているポリシリコン層３８のみがエッチングされる。このため、反応室内に露出するポリシリコン層３８の面積が小さく、反応室内のシリコン濃度が薄い。このように、シリコン濃度は、時間Ｔ１の前後において急激に変化する。

時間Ｔ２は、トレンチＴｒ１０内に充填されているポリシリコン層３８が角部１５に達したタイミングである。トレンチＴｒ１０に角部１５が形成されていることにより、角度１５よりも浅い部分のトレンチＴｒ１０の断面積と角部よりも深い部分のトレンチＴｒ１０の断面積が不連続に変化する。このため、シリコン濃度は、時間Ｔ２において急激に変化する。

エッチバック工程は、時間Ｔ２のタイミングを終点としてエッチバックを停止する。具体的には、時間Ｔ２のタイミングで反応ガスの供給を停止する。これにより、図７に示されるように、ゲート電極３４の上面は、角部１５に対応した深さに位置決めされる。このように、シリコン濃度の変化を利用してエッチバックを停止すると、ゲート電極３４の上面は低濃度ソース領域１４ａと高濃度ソース領域１４ｂの境界の深さに位置決めされる。上記製造方法によると、ゲート電極３４の上面をトレンチＴｒ１０内であって低濃度ソース領域１４ａよりも浅い位置に位置決めすることができる。

次に、ＣＶＤ技術を利用して、ゲート電極３４の上面をキャップするための層間絶縁膜３６を堆積する。その後に、エッチング技術を利用して、層間絶縁膜３６の一部及びゲート絶縁膜３２の一部を除去し、半導体基板１０の表面１０ａの一部を露出させる。最後に、半導体基板１０の裏面１０ｂにドレイン電極２２を被膜し、半導体基板１０の表面１０ａにソース電極２４を被膜すると、炭化珪素半導体装置１が完成する。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１：炭化珪素半導体装置
１０：半導体基板
１１：ドレイン領域
１２：ドリフト領域
１３：ボディ領域
１４：ソース領域
１４ａ：低濃度ソース領域
１４ｂ：高濃度ソース領域
１５：角部
２２：ドレイン電極
２４：ソース電極
３０：絶縁トレンチゲート
３２：ゲート絶縁膜
３４：ゲート電極
３６：層間絶縁膜

Claims (5)

1. 第１導電型のドリフト領域と第２導電型のボディ領域が積層するとともに前記ボディ領域が一方の主面に露出する炭化珪素の半導体基板を準備する準備工程と、
   前記半導体基板の前記一方の主面に向けて第１導電型の不純物を照射して前記ボディ領域内に拡散領域を形成する工程であって、前記拡散領域は不純物濃度が相対的に薄い低濃度拡散領域と不純物濃度が相対的に濃い高濃度拡散領域を有しており、前記低濃度拡散領域が前記高濃度拡散領域よりも深い、拡散領域形成工程と、
   異方性エッチング技術を利用して、前記半導体基板の前記一方の主面から前記高濃度拡散領域と前記低濃度拡散領域と前記ボディ領域を貫通して前記ドリフト領域に達するトレンチを形成するトレンチ形成工程と、
   等方性エッチング技術を利用して、前記トレンチの側面をエッチングするエッチング工程であって、前記低濃度拡散領域に対応する前記トレンチの側面と前記高濃度拡散領域に対応する前記トレンチの側面の間に角部が形成される、エッチング工程と、
   前記トレンチの内壁にゲート絶縁膜を被覆する被膜工程と、
   前記ゲート絶縁膜で被膜された前記トレンチ内及び前記半導体基板の前記一方の主面上に導電層を形成する導電層形成工程と、
   前記導電層をエッチバックして前記トレンチ内にゲート電極を形成するエッチバック工程と、を備えており、
   前記エッチバック工程は、
   反応室内のガスのうちの少なくとも１種類の被監視ガスの濃度を監視することと、
   前記被監視ガスの濃度の経時変化が前記角部に応じて変化したときに、前記導電層のエッチバックを停止することと、を有する、炭化珪素半導体装置の製造方法。
2. 前記拡散領域形成工程は、
   前記半導体基板の前記一方の主面から第１の深さまで窒素を導入する第１導入工程と、
   前記第１導入工程の後に、前記半導体基板の前記一方の主面から前記第１の深さよりも浅い第２の深さまでリンを導入する第２導入工程と、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。
3. 前記エッチング工程は、ＣＦ₄およびＯ₂を含む反応ガスを用いたドライエッチングによって実施される、請求項１又は２に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
4. 前記導電層が、導電性のポリシリコン層であり、
   前記エッチバック工程は、Ｃｌ₂を含む反応ガスを用いたドライエッチングによって実施される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
5. 前記被監視ガスが、Ｓｉを含むガスである、請求項４に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。

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