JP7140148B2 - 炭化珪素半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
第1実施形態について説明する。本実施形態にかかるSiC半導体装置は、半導体素子として、図1および図2に示すトレンチゲート構造の反転型の縦型MOSFETが形成されたものである。これらの図に示す縦型MOSFETは、SiC半導体装置のうちのセル領域に形成されており、そのセル領域を囲むように外周耐圧構造が形成されることでSiC半導体装置が構成されているが、ここでは縦型MOSFETのみ図示してある。なお、以下では、図1および図2に示すように、縦型MOSFETの幅方向をX方向、X方向に対して交差する縦型MOSFETの奥行方向をY方向、縦型MOSFETの厚み方向もしくは深さ方向、つまりXY平面に対する法線方向をZ方向として説明する。
まず、半導体基板として、n+型基板1を用意する。そして、図示しないCVD(chemical vapor deposition)装置を用いたエピタキシャル成長により、n+型基板1の主表面上にSiCからなるn-型層2を形成する。このとき、n+型基板1の主表面上に予めn-型層2を成長させてある所謂エピ基板を用いても良い。そして、n-型層2の上にSiCからなるJFET部3をエピタキシャル成長させる。
JFET部3の表面に、マスク17を配置したのち、マスク17をパターニングして電界ブロック層4の形成予定領域を開口させる。そして、p型不純物をイオン注入することで、電界ブロック層4を形成する。その後、マスク17を除去する。
引き続き、JFET部3および電界ブロック層4の上にn型SiCをエピタキシャル成長させることで、n型電流分散層5を形成する。そして、n型電流分散層5の上に、p型ディープ層9の形成予定領域が開口する図示しないマスクを配置する。その後、マスクの上からp型不純物をイオン注入することでp型ディープ層9を形成する。なお、p型ディープ層9についてもイオン注入によって形成する例を示したが、イオン注入以外の方法によって形成することもできる。例えば、電界ブロック層4と同様に、n型電流分散層5に対して凹部を形成したのち、p型不純物層をエピタキシャル成長させ、さらにp型不純物層の平坦化を行うことで、p型ディープ層9を形成するようにしても良い。
図示しないCVD装置を用いて、n型電流分散層5およびp型ディープ層9の上にp型ベース領域6およびn型ソース領域8のうちの第1ソース領域8aを順にエピタキシャル成長させる。例えば、同じCVD装置内において、昇温過程を経て成長炉内を所定温度に高温化したのち、まずはキャリアガスやSiC原料ガスと共にp型ドーパントとなるガスを導入したエピタキシャル成長によってp型ベース領域6を形成する。続いて、p型ドーパントの導入を停止してn型ドーパントを導入することで、第1ソース領域8aを形成する。ただし、このときには第1ソース領域8aを第2ソース領域8bの厚み分加算した厚みとしている。このとき、降温過程を行うことなく、p型ベース領域6の形成後に温度を維持したまま第1ソース領域8aのエピタキシャル成長させるようにすることで、プロセス時間の短縮化を図っている。
n型ソース領域8の上にp型連結層10の形成予定位置を開口させた図示しないマスクを配置する。そして、マスクの上からp型不純物をイオン注入したのち、活性化のために1500℃以上の熱処理を行う。イオン注入する元素としては、ボロン(B)とアルミニウム(Al)のいずれか一方もしくは両方を用いている。これにより、n型ソース領域8をp型不純物のイオン注入によって打ち返してp型連結層10を形成することができる。
n型ソース領域8などの上に図示しないマスクを形成したのち、マスクのうちのゲートトレンチ11の形成予定領域を開口させる。そして、マスクを用いてRIE(Reactive Ion Etching)等の異方性エッチングを行うことで、ゲートトレンチ11を形成する。
その後、マスクを除去してから例えば熱酸化を行うことによって、ゲート絶縁膜12を形成し、ゲート絶縁膜12によってゲートトレンチ11の内壁面上およびn型ソース領域8の表面上を覆う。そして、p型不純物もしくはn型不純物がドープされたPoly-Siをデポジションした後、これをエッチバックし、少なくともゲートトレンチ11内にPoly-Siを残すことでゲート電極13を形成する。これにより、トレンチゲート構造が完成する。
第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対してノンドープ層を備えるようにしたものであり、その他については第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
第3実施形態について説明する。本実施形態では、第1、第2実施形態におけるn型層の膜状態の測定方法について説明する。
第4実施形態について説明する。上記第3実施形態では、n型層として、n型電流分散層5や第1ソース領域8aを例に挙げて説明したが、エピタキシャル成長後にn型不純物濃度を測定する場合について、どのようなn型層に対しても適用できる。ここでは、n+型基板1の主表面上にn-型層2をエピタキシャル成長させたのちに、n-型層2のn型不純物濃度を測定する場合について説明する。
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
7 ノンドープ層
8 n型ソース領域
8a 第1ソース領域
8b 第2ソース領域
10 p型連結層
11 ゲートトレンチ
13 ゲート電極
15 ソース電極
16 ドレイン電極
Claims (14)
- 反転型の半導体素子を備えている炭化珪素半導体装置であって、
炭化珪素からなる第1または第2導電型の基板(1)と、
前記基板の上に形成され、前記基板よりも低不純物濃度とされた第1導電型の炭化珪素からなるドリフト層(2、3、5)と、
前記ドリフト層の上に形成された第2導電型の炭化珪素からなるベース領域(6)と、
前記ベース領域の上に形成され、前記ドリフト層よりも第1導電型不純物濃度が高くされた第1導電型の炭化珪素からなるソース領域(8)と、
前記ソース領域の表面から前記ベース領域よりも深く形成されたゲートトレンチ(11)内に、該ゲートトレンチの内壁面を覆うゲート絶縁膜(12)と該ゲート絶縁膜の上に配置されたゲート電極(13)とを備えて構成され、一方向を長手方向として複数本がストライプ状に並べられたトレンチゲート構造と、
前記ゲート電極および前記ゲート絶縁膜を覆うと共にコンタクトホールが形成された層間絶縁膜(14)と、
前記コンタクトホールを通じて、前記ソース領域にオーミック接触させられたソース電極(15)と、
前記基板の裏面側に形成されたドレイン電極(16)と、を含む前記半導体素子を備え、
前記ソース領域は、前記ベース領域側に形成されたエピタキシャル成長層によって構成されている第1ソース領域(8a)と、前記ソース電極に接すると共に前記第1ソース領域よりも第1導電型不純物濃度が高くされたイオン注入層によって構成されている第2ソース領域(8b)と、を有し、
前記第1ソース領域は、前記ベース領域に接して形成されており、厚さが0.2~0.5μm、不純物濃度が2.0×1016~1.0×1017/cm3とされ、
前記第2ソース領域は、厚さが0.1μm以上とされていると共に、第2導電型不純物濃度が1.0×1018~5.0×1019/cm3とされている炭化珪素半導体装置。 - 反転型の半導体素子を備えている炭化珪素半導体装置であって、
炭化珪素からなる第1または第2導電型の基板(1)と、
前記基板の上に形成され、前記基板よりも低不純物濃度とされた第1導電型の炭化珪素からなるドリフト層(2、3、5)と、
前記ドリフト層の上に形成された第2導電型の炭化珪素からなるベース領域(6)と、
前記ベース領域の上に形成され、前記ドリフト層よりも第1導電型不純物濃度が高くされた第1導電型の炭化珪素からなるソース領域(8)と、
前記ソース領域の表面から前記ベース領域よりも深く形成されたゲートトレンチ(11)内に、該ゲートトレンチの内壁面を覆うゲート絶縁膜(12)と該ゲート絶縁膜の上に配置されたゲート電極(13)とを備えて構成され、一方向を長手方向として複数本がストライプ状に並べられたトレンチゲート構造と、
前記ゲート電極および前記ゲート絶縁膜を覆うと共にコンタクトホールが形成された層間絶縁膜(14)と、
前記コンタクトホールを通じて、前記ソース領域にオーミック接触させられたソース電極(15)と、
前記基板の裏面側に形成されたドレイン電極(16)と、を含む前記半導体素子を備え、
前記ソース領域は、前記ベース領域側に形成されたエピタキシャル成長層によって構成されている第1ソース領域(8a)と、前記ソース電極に接すると共に前記第1ソース領域よりも第1導電型不純物濃度が高くされたイオン注入層によって構成されている第2ソース領域(8b)と、を有し、
前記ベース領域と前記ソース領域との間には、厚さが0.05~0.2μmとされ、キャリア濃度が1.0×1016/cm3以下とされたノンドープ層(7)が備えられている炭化珪素半導体装置。 - 前記第1ソース領域は、厚さが0.2~0.5μmとされ、不純物濃度が2.0×1016~1.0×1017/cm3とされ、
前記第2ソース領域は、厚さが0.1μm以上とされていると共に、第2導電型不純物濃度が1.0×1018~5.0×1019/cm3とされている請求項2に記載の炭化珪素半導体装置。 - 前記ゲートトレンチは、前記第2ソース領域と対応する部分において丸みを有して傾斜している請求項1または2に記載の炭化珪素半導体装置。
- 反転型の半導体素子を備えた炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
炭化珪素からなる第1または第2導電型の基板(1)を用意することと、
前記基板の上に、前記基板よりも低不純物濃度の第1導電型の炭化珪素からなるドリフト層(2、3、5)を形成することと、
前記ドリフト層の上に、第2導電型の炭化珪素からなるベース領域(6)を形成することと、
前記ベース領域の上に、前記ドリフト層よりも第1導電型不純物濃度が高くされた第1導電型の炭化珪素からなり、前記ベース領域側に配置される第1ソース領域(8a)と該第1ソース領域の上に該第1ソース領域よりも高不純物濃度とされた第2ソース領域(8b)とを有するソース領域(8)を形成することと、
前記ソース領域の表面から前記ベース領域よりも深いゲートトレンチ(11)を、一方向を長手方向としてストライプ状に複数本形成したのち、前記ゲートトレンチの内壁面にゲート絶縁膜(12)を形成すると共に、前記ゲート絶縁膜の上にゲート電極(13)を形成することでトレンチゲート構造を形成することと、
前記ソース領域に電気的に接続されるソース電極(15)を形成することと、
前記基板の裏面側にドレイン電極(16)を形成することと、を含み、
前記ベース領域を形成することでは、前記ベース領域をエピタキシャル成長によって形成し、
前記ソース領域を形成することでは、前記第1ソース領域を前記ベース領域の表面にエピタキシャル成長によって形成したのち、前記第1ソース領域に対して第1導電型不純物をイオン注入することで前記第2ソース領域を形成し、前記第1ソース領域を前記ベース領域に接しつつ厚さが0.2~0.5μm、不純物濃度が2.0×1016~1.0×1017/cm3として形成すると共に、前記第2ソース領域を厚さが0.1μm以上、第2導電型不純物濃度が1.0×1018~5.0×1019/cm3として形成する炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 反転型の半導体素子を備えた炭化珪素半導体装置の製造方法であって、
炭化珪素からなる第1または第2導電型の基板(1)を用意することと、
前記基板の上に、前記基板よりも低不純物濃度の第1導電型の炭化珪素からなるドリフト層(2、3、5)を形成することと、
前記ドリフト層の上に、第2導電型の炭化珪素からなるベース領域(6)を形成することと、
前記ベース領域の上に、厚さが0.05~0.2μmとされ、キャリア濃度が1.0×1016/cm3以下とされたノンドープ層(7)を形成することと、
前記ノンドープ層の上に、前記ドリフト層よりも第1導電型不純物濃度が高くされた第1導電型の炭化珪素からなり、前記ベース領域側に配置される第1ソース領域(8a)と該第1ソース領域の上に該第1ソース領域よりも高不純物濃度とされた第2ソース領域(8b)とを有するソース領域(8)を形成することと、
前記ソース領域の表面から前記ベース領域よりも深いゲートトレンチ(11)を、一方向を長手方向としてストライプ状に複数本形成したのち、前記ゲートトレンチの内壁面にゲート絶縁膜(12)を形成すると共に、前記ゲート絶縁膜の上にゲート電極(13)を形成することでトレンチゲート構造を形成することと、
前記ソース領域に電気的に接続されるソース電極(15)を形成することと、
前記基板の裏面側にドレイン電極(16)を形成することと、を含み、
前記ベース領域を形成することでは、前記ベース領域をエピタキシャル成長によって形成し、
前記ソース領域を形成することでは、前記第1ソース領域をエピタキシャル成長によって形成したのち、前記第1ソース領域に対して第1導電型不純物をイオン注入することで前記第2ソース領域を形成する炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 前記ベース領域を形成することと前記ノンドープ層を形成することとは、同じエピタキシャル成長装置内において、温度を維持したまま連続的に行われる請求項6に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
- 前記ベース領域を形成することから前記第1ソース領域を形成することまでは、同じエピタキシャル成長装置内において、温度を維持したまま連続的に行われる請求項6または7に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
- 測定対象層となるn型の炭化珪素層(2、5、8a)をエピタキシャル成長させることと、
前記炭化珪素層をエピタキシャル成長させたのちに、前記炭化珪素層の表面電子を安定化させることと、
前記表面電子の安定化後に、電荷を塗布して前記炭化珪素層の表面を帯電させたのち、前記炭化珪素層の表面電位を測定することによって該炭化珪素層のn型不純物濃度を測定することと、を含む炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 前記炭化珪素層の表面電子を安定化させることは、前記炭化珪素層を形成したのち、大気雰囲気下において10時間以上保持することである、請求項9に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
- 前記炭化珪素層の表面電子を安定化させることは、前記炭化珪素層を形成したのち、該炭化珪素層の表面を酸洗浄することである、請求項9に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
- 前記酸洗浄することは、塩酸過酸化水素水溶液、硫酸過酸化水素水溶液、オゾン洗浄のいずれか1つを用いた洗浄である、請求項11に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
- 炭化珪素バルク基板(1)の上に、n型層(2)をエピタキシャル成長させることを含み、
前記炭化珪素層の表面電子を安定化させることは、前記n型層を前記炭化珪素層として、該n型層の表面電子を安定化させることであり、
前記n型不純物濃度を測定することは、前記n型層のn型不純物濃度を測定することである、請求項9ないし12のいずれか1つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 - 炭化珪素バルク基板(1)の上に、エピタキシャル成長層(3)を形成することと、
前記エピタキシャル成長層に対して不純物のイオン注入を行って不純物層(4)を形成することと、
前記エピタキシャル成長層および前記不純物層の上に、n型層(8a)をエピタキシャル成長させることを含み、
前記炭化珪素層の表面電子を安定化させることは、前記n型層を前記炭化珪素層として、該n型層の表面電子を安定化させることであり、
前記n型不純物濃度を測定することは、前記n型層のn型不純物濃度を測定することである、請求項9ないし12のいずれか1つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
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