JPWO2014061367A1 - 炭化珪素半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

炭化珪素半導体装置およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

ゲート絶縁膜の電界強度を緩和するとともに、ON抵抗の低い炭化珪素半導体装置を得る。この炭化珪素半導体装置は、n型炭化珪素基板1と、n型炭化珪素基板1の上面に形成されたドリフト層2と、ドリフト層2中に形成され、内部にゲート絶縁膜8とゲート電極9とを有するトレンチ7と、トレンチ7と間隔を空けて平行に形成され、トレンチ7より深いp型高濃度ウェル領域6と、トレンチ7の底部端より上面側へトレンチ7底部のゲート絶縁膜8の膜厚程度上方位置からp型高濃度ウェル領域6の下端に向けて、徐々に深く形成されるp型ボディ領域4と、を有する。

Description

本発明は、炭化珪素半導体装置およびその製造方法に関するものであり、詳しくは、トレンチゲート型の炭化珪素半導体装置に関するものである。
高耐圧、低損失、かつ高速スイッチングが可能な半導体装置として炭化珪素半導体装置が用いられている。特に、トレンチゲート型の炭化珪素半導体装置は、通常のプレーナ型の炭化珪素半導体装置と比べ、単位面積当たりのチャネル密度が高く、電流量を大きくすることができ、オン(ON)抵抗の低減が期待される。
トレンチゲート型の炭化珪素半導体装置には、一般にn型半導体基板上に、低欠陥密度のn型半導体からなるエピタキシャル層が形成され、さらにp型半導体層が形成されている。表面にはソース電極と接続するn型高濃度層(n+層)、上記p型半導体層と接続するp型高濃度層(p+層)が形成され、p型半導体層を貫くようにトレンチが形成される。
トレンチゲート型の炭化珪素半導体装置においては、トレンチにゲート絶縁膜およびゲート電極材料が埋め込まれ、ゲート電極が形成される。トレンチは一般に細長い形状に形成される。したがって、ゲート電極を半導体装置の表面に平坦に形成するプレーナ型に比べゲート電極の密度を高くすることができるため、単位面積当たりのチャネル密度を高め、オン抵抗の低減を図ることができる。しかし、トレンチを深く掘り込むため、炭化珪素半導体装置の裏面のドレイン電極とトレンチ内のゲート電極との距離が短くなり、電界強度が高くなる。このような状況では絶縁破壊を生じる可能性があり、オン抵抗の低減による高効率化と高耐圧化とを同時に達成することは困難である。
この課題に対して、トレンチから離れた部分にトレンチの深さと同等、又はトレンチの深さより深くp型ウェル領域を形成し、耐圧を改善する構造が提案されている(特許文献1)。この深いp型ウェル領域とその直下のn型ドリフト層との接合部から空乏層が広がりトレンチ底部を保護し、炭化珪素半導体装置の裏面のドレイン電極とゲート絶縁膜との間の電界強度を緩和することができ、耐圧を高めることができる。
特開2009−117593号公報
しかしながら、特許文献1のように、トレンチ底部に空乏層を形成し、ゲート絶縁膜での電界強度を低下させることができるが、最も電界が集中し高電界となるトレンチの下端の角部分がドリフト層に露出してしまうため空乏層で保護しきれない場合がある。そのため、電界強度を十分に緩和することができず、耐圧を大きく改善することはできない。またp型ウェル領域をトレンチに近接させると空乏層がトレンチ下端に及び易くなり、ゲート絶縁膜にかかる電界強度を緩和することができ、耐圧を高くすることができる。しかし、同時にこの半導体装置をONとした時の電流経路を狭くすることになるので、抵抗が高くなり、高効率化を達成することはできない。つまり、炭化珪素半導体装置では、ON時の高効率化と、オフ(OFF)時の高耐圧化を同時に得ることは困難であるという問題がある。
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、トレンチ内のゲート絶縁膜とドレイン電極間の電界集中を緩和し、高耐圧化をはかるとともに、オン抵抗の低減をはかり、高効率の炭化珪素半導体装置を得ることを目的としている。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、第1導電型の炭化珪素半導体基板と、第1導電型の炭化珪素半導体基板の第1の面に形成されたドリフト層と、ドリフト層中に形成され、内部にゲート絶縁膜を介してゲート電極の形成されたトレンチと、トレンチと間隔を空けて形成され、トレンチよりも深い第2導電型の高濃度ウェル領域と、トレンチの底部より上側の位置から第2導電型の高濃度ウェル領域の底部に向けて深くなるよう形成される第2導電型のボディ領域と、を有するものである。
本発明の炭化珪素半導体装置は、第2導電型のボディ領域がトレンチの底部端にあるゲート電極端より上側の位置からp型高濃度ウェル領域の底部へ向けて深くなるよう形成されている。言い換えればトレンチが第2導電型のボディ領域に埋め込まれた構造をしているので、炭化珪素半導体装置のOFF時においては、ドリフト層とボディ領域との接合部分から空乏層が広がり、トレンチの底部端への電界集中を緩和することができ、またさらに、第2導電型の高濃度ウェル領域をトレンチより深く形成しているため、ドレイン電極からの電界を第2導電型の高濃度ウェル領域が引きつけ、耐圧を高くすることができる。また炭化珪素半導体装置のON時においては、トレンチ直下には空乏層はなく、ボディ領域によってトレンチ横の電流経路が妨げられることなくチャネルが形成され、炭化珪素半導体装置のON時の抵抗が低く、高効率化を達成することができる。したがって、炭化珪素半導体装置のON時に高効率化、OFF時に高耐圧化を同時に達成することができる。
図1は、本発明の実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置の上面図である。 図2(a)および(b)は、本発明の実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置の断面図であり、(a)は、図1のA−A断面図、(b)は、図2(a)の部分拡大図である。 図3(a)〜(d)は、本発明の実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。 図4(a)および(b)は、本発明の実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図5は、本発明の実施の形態1と比較する構造Aを示す断面図である。 図6は、本発明の実施の形態1と比較する構造Bを示す断面図である。 図7は、本発明の実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置の電界−電圧特性を示す図である。 図8は、本発明の実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置のON特性を示す図である。 図9は、本発明の実施の形態2に係る炭化珪素半導体装置の断面図である。 図10は、本発明の実施の形態2と比較する構造Cを示す断面図である。 図11は、本発明の実施の形態2に係る炭化珪素半導体装置のOFF特性を示す図である。 図12は、本発明の実施の形態3に係る炭化珪素半導体装置の断面図である。 図13は、本発明の実施の形態4に係る炭化珪素半導体装置の上面図である。 図14は、本発明の実施の形態4に係る炭化珪素半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
以下に、本発明にかかる炭化珪素半導体装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す図面においては、理解の容易のため、各部材の縮尺が実際とは異なる場合がある。なお、実施の形態の説明および各図において、同一の符号を付した部分は、同一又は相当する部分を示すものである。また、炭化珪素半導体装置の構造部分に高濃度、低濃度と付記した場合、イオン注入の濃度の高低を示しているが、絶対的濃度の高低を示すものではなく、周辺の同極性の領域と比べた時の相対的な高濃度/低濃度を示している。
実施の形態1.
<炭化珪素半導体装置の構造>
図1は本発明の実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置の上面図であり、炭化珪素半導体装置の表面構造を示し易くするためにソース電極10を省略した状態を示している。また図2は本発明の実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置の断面図(ソース電極10も含む)であり、図2(a)は図1のA−A部分の断面を、図2(b)は図2(a)の破線で丸く囲んだ部分を拡大して示している。
炭化珪素半導体装置は、図2(a)に示すように、n型炭化珪素基板1の上面にはn型炭化珪素からなるドリフト層2が形成され、n型炭化珪素基板1の下面にはドレイン電極11が形成されている。炭化珪素半導体装置の上面には、図1に示すように、周辺付近にp型炭化珪素からなる終端領域16が形成され、その内側に上下端部分が横方向に繋がった、縦方向のストライプ状のトレンチ7が形成されている。
トレンチ7と、隣接するトレンチ7との中間部分には、図2(a)に示すようにp型高濃度ウェル領域6を取り囲むようにp型ボディ領域4が形成されており、ソース電極10との界面には、p型ボディ領域4の上部にn型ソース領域3が形成され、またp型高濃度ウェル領域6の上部にp型ウェルコンタクト領域5が形成されている。トレンチ7の内部壁面にはゲート絶縁膜8が形成されており、その内部にゲート電極9が形成されている。なお、各半導体領域はイオン注入によるイオン種、不純物濃度が異なっており、具体的な製造方法、不純物濃度等については後述する。
図2(b)に拡大して示すように、p型高濃度ウェル領域6は、トレンチ7よりも深く形成されており、p型ボディ領域4は、トレンチ7の底部近傍望ましくは、ゲート電極9下端からp型高濃度ウェル領域6の下部へ向けて深くなるように形成されている。ここでトレンチ7の底部近傍とは、ゲート電極9の下端を理想位置とするもので、望ましくは、トレンチ7の底部端より上側へ、好ましくはトレンチ7底部のゲート絶縁膜8の厚みに相当する位置付近とするのが望ましい。p型ボディ領域4とドリフト層2との境界はドリフト層2表面に対して斜めになるように形成されており、トレンチ7底部と、そのトレンチ7を挟む両側のp型ボディ領域4とがなす角度は鈍角であることが望ましい。p型ボディ領域4とドリフト層2との境界は、トレンチ7底部と、そのトレンチ7を挟む両側のp型ボディ領域4とがなす角度は鈍角となるように、ドリフト層2表面に対して斜めになっていることで、空乏層cは、トレンチ7底部のエッジを覆うように延びる。このため、若干トレンチエッジが露呈する方向にp型ボディ領域4の下端(底部端)がずれていても、周辺に空乏層cが伸びることでトレンチ7底部のエッジは十分に覆われることになり、電界を緩和することができ耐圧が向上する。トレンチ7底部と両側のp型ボディ領域4とがなす角が鋭角の場合、トレンチ7がp型ボディ領域4に深く埋め込まれた形となり、p型ボディ領域4とドリフト層2との接合部から生じる空乏層cにトレンチ7全体が覆われ、半導体装置のON時の抵抗が高くなってしまう。
p型ボディ領域4は、先に述べたように、ゲート電極9の下端すなわちトレンチ7の底部端より上側へトレンチ7底部のゲート絶縁膜8の厚みに相当する位置付近から始まり、p型高濃度ウェル領域6の底部へ向けて深くなるように形成されているとき最も良好な特徴を示す。ここでトレンチ7の底部端より上面側へトレンチ7底部のゲート絶縁膜8の厚みに相当する位置とは、必ずしもトレンチ7の下端より上面側へトレンチ7底部のゲート絶縁膜8の厚みに完全に一致する位置のみを指すものではなく、プロセス上の装置精度やイオン注入工程での界面のぼやけ等のばらつきにより変動しうる位置を示している。
p型ボディ領域4の範囲を、イオン注入による不純物濃度が目的値の±50%変化する範囲までと定義する。このとき、イオン注入での不純物濃度の分布によりp型ボディ領域4の境界は±35nm程度変動する。そこで、イオン注入工程での装置精度等を考慮すると、トレンチ7の底部端から上面側へトレンチ7底部のゲート絶縁膜8の厚みに相当する位置とは、トレンチ7底部のゲート絶縁膜8の膜厚±50nmの範囲を示すものである。
たとえば、p型ボディ領域4がトレンチ7の底部端から形成されている場合、ゲート電極9はp型ボディ領域4にゲート絶縁膜8の厚さに相当するだけ、埋まり込んだ状態となっている。トレンチ7内のゲート電極9からp型ボディ領域4に電圧を印加した場合、トレンチ7近傍のp型ボディ領域4にはチャネルが形成され、ON状態となる。しかし、トレンチ7の底部端付近のp型ボディ領域4はゲート電極9より深く形成されているのでチャネルが形成されにくく、電流経路が阻害され炭化珪素半導体装置のON時の抵抗がやや高くなる。
p型ボディ領域4がトレンチ7底部端より上面側へトレンチ7底部のゲート絶縁膜8の厚みにちょうど一致する位置から形成されている場合、トレンチ7内のゲート電極9とp型ボディ領域4とは深さが同じになり、トレンチ7内のゲート電極9から電圧が印加された場合、p型ボディ領域4全体にチャネルが形成され、電流経路が確保されるので炭化珪素半導体装置のON時の抵抗が非常に低くなる。また、p型ボディ領域4とドリフト層2との接合部に生じる空乏層cにゲート絶縁膜8が保護され、電界を緩和することができるため炭化珪素半導体装置の耐圧を高くすることができる。
p型ボディ領域4がトレンチ7の底部端より上面側へトレンチ7底部のゲート絶縁膜8の膜厚+50nm以上の位置から形成されている場合、ゲート電極9の下端がp型ボディ領域4の底部へはみ出した状態となるため、p型ボディ領域4にはチャネルが形成され、炭化珪素半導体装置のON時の抵抗は低くなる。一方、ゲート電極9は深く形成されるので、ドレイン電極11の電界が印加されやすく耐圧はやや低くなる。
逆にp型ボディ領域4がトレンチ7の底部端より上面側へトレンチ7底部のゲート絶縁膜8の膜厚−50nm以下の位置から形成されている場合、耐圧は高くなるが、ゲート電圧が印加されにくくチャネルが形成されにくい領域ができ、炭化珪素半導体装置のON時の抵抗はやや高くなる。
つまり、トレンチ7の底部端より上面側へトレンチ7底部のゲート絶縁膜8の膜厚±50nm以内の位置からp型ボディ領域4を形成すれば、トレンチ7の底部端より上面側へトレンチ7底部のゲート絶縁膜8の厚みにちょうど一致する位置からp型ボディ領域4を形成した場合に比べ特性は厳密にはやや低下するものの、従来の炭化珪素半導体装置と比較すればON時の抵抗は低く、耐圧の高い優れた特性の半導体装置を得ることができ、好適である。
以上より、p型ボディ領域4は、ゲート電極9の下端すなわちトレンチ7の底部端より上面側にトレンチ7底部のゲート絶縁膜8の厚みに相当する位置から形成されることが必要である。ただし上述のように上面側へトレンチ7底部のゲート絶縁膜8の厚みに相当する位置とは、装置精度、イオン密度の分布等のばらつきにより変動する位置であり、変動の範囲がゲート絶縁膜8の膜厚±50nmの範囲であれば従来の半導体装置より良好な特性を示す。
<炭化珪素半導体装置の製造方法>
図3(a)〜(d)に、本実施の形態の炭化珪素半導体装置の製造工程を示す。製造工程の順序は特に記載がない限り前後してもよい。また、ここでは、本発明の特徴であるp型ボディ領域4の製造方法を中心に述べる。
図3(a)に示すように、n型炭化珪素基板1上に、ドリフト層2としてのn型炭化珪素層を、エピタキシャル成長法を用いて形成する。
図3(b)に示すように、ドリフト層2の表面にn型ソース領域3、p型ウェルコンタクト領域5、p型高濃度ウェル領域6をイオン注入により形成する。このイオン注入工程において、n型ソース領域3は、例えば濃度が約1×1019/cm3のドナー不純物、p型ウェルコンタクト領域5、p型高濃度ウェル領域6にはそれぞれ濃度約1×1020/cm3、約1×1018/cm3のアクセプタ不純物を用いて形成できる。
本実施の形態においては、ドナー不純物は窒素、アクセプタ不純物はアルミニウムを用いたが、これらに限定するものではなく、ドナー不純物はリンなど、アクセプタ不純物はボロンなどを同様に用いることができる。またイオン注入の濃度も特に限定するものではなく、隣接する半導体層の特性に応じて種々のイオン注入濃度を用いることができる。
図3(c)に示すように、n型ソース領域3の中央部にスリット状の隙間を空けたシリコン酸化膜などの材料からなるマスク15を形成し、トレンチ7を四フッ化炭素(CF4)、酸素(O2)、アルゴン(Ar)の混合ガスを用いてドライエッチングにより形成する。このトレンチ7は、p型高濃度ウェル領域6よりも浅く形成する。
図3(d)に示すように、トレンチ7の内部から斜めイオン注入を行い、トレンチ7の底部から、p型高濃度ウェル領域6の底部に向けて深くなるp型ボディ領域4を形成する。トレンチ7底面のドリフト層2にアクセプタ不純物がイオン注入され、p型半導体になるとトレンチ7の底面付近での電子の流れが阻害され、半導体装置をONとした時の抵抗が高くなってしまうという問題があるため、斜めイオン注入においてトレンチ7の底面にはイオンが注入されないよう注入角度を調整するなどの注意が必要である。
トレンチ7の内部からトレンチ7の側面方向に所望の角度で斜めイオン注入を行うと、近接するp型ボディ領域4の深さとトレンチ7の深さをほぼ同じにすることができ、後述する高耐圧化、高効率化のための構造を得る場合に有利である。
このトレンチ7の内部からのイオン注入工程において、トレンチ7の底部より上側の位置からp型ボディ領域4を、p型高濃度ウェル領域6の底部に向けて深くなるように形成する。続いてトレンチ7の内壁部にゲート絶縁膜8を形成し、その内部にゲート電極9を形成した場合、ゲート電極9の底部端と隣接するp型ボディ領域4の底部端とは、ほぼ同じ深さとなる。
ゲート電極9に電圧を印加し、半導体装置をON状態とすると、トレンチ7近傍のp型ボディ領域4は、チャネルを形成し導通する。また半導体装置をOFF状態とすると、ゲート絶縁膜8は周辺のp型ボディ領域4とドリフト層2との間に形成される空乏層cによって、ゲート絶縁膜8の電界強度を緩和することができ、高い耐圧を示すことができる。
トレンチ7の底部端より上面側にトレンチ7底部のゲート絶縁膜8の膜厚に相当する位置からp型ボディ領域4を形成した場合、前述のように、製造装置の精度、イオン注入時の不純物の分布を考慮すると、トレンチ7の底部端より上面側にトレンチ7底部のゲート絶縁膜8の膜厚±50nmの位置からp型ボディ領域4は形成されていることになる。
この時、ちょうどゲート絶縁膜8の膜厚に相当する位置からp型ボディ領域4を形成した場合と比べ、半導体装置の特性はやや低くなるが、他の半導体装置と比較すると十分に高特性の炭化珪素半導体装置を得ることができる。また、上面側へトレンチ7底部のゲート絶縁膜8の膜厚±20nmの位置からp型ボディ領域4を形成することができれば、さらに優れた特性の炭化珪素半導体装置を得ることができる。
上記工程によれば、ドリフト層2に露出するトレンチ7の面積を小さくすることができ、近傍のp型ボディ領域4とドリフト層2との接合部分から生じる空乏層cが広く広がることができるため、トレンチ7内のゲート絶縁膜8での電界強度を緩和することができる。
このトレンチ7内部からの斜めイオン注入において、トレンチ7内部をマスク15とは異なる埋め込み材料で埋め込み、埋め込み材料を介在させてイオン注入することもできる。埋め込み材料を介在させてイオン注入を行うとトレンチ7の底面部分では埋め込み材料にイオンが注入され、トレンチ7底面にはイオン注入がされにくくなるという特徴を有する。ここで埋め込み材料としては、イオン吸収体であればよく、マスク15を構成するシリコン酸化膜とは異なる、レジストなどの樹脂材料あるいは他の無機材料を用いることも可能である。
この埋め込み材料を介在させてイオン注入を行う場合も、トレンチ7の底部より上側がp型ボディ領域4に接するように形成することが非常に好ましい。トレンチ7の底部端より上面側へトレンチ7底部のゲート絶縁膜8の膜厚±50nmの位置からp型ボディ領域4を形成しても良く、さらにゲート絶縁膜8の膜厚±20nmの位置とすることができればなお好適である。
トレンチ7内部から斜めイオン注入する場合も、トレンチ7に埋め込み材料を充填し、埋め込み材料を介在させて斜めイオン注入する場合もいずれも、アクセプタ不純物濃度は特に限定するものではないが、1×1016/cm3〜1×1018/cm3であることが好ましい。1×1016/cm3未満ではp型ボディ領域4を形成するのに不十分であり、1×1018/cm3を超えると周辺部への影響が大きく、目的とする半導体装置の特性を得ることができない。
この後、マスク15および、埋め込み材料を用いた場合にはその埋め込み材料を除去し、トレンチ7内部にゲート絶縁膜8とゲート電極9を形成する。なお、トレンチ7底面と、トレンチ7底部からp型高濃度ウェル領域6の底部に向けて深くなるように形成された両側のp型ボディ領域4とのなす角は前述のように鈍角とすることが必要である。最後に、n型ソース領域3とp型ウェルコンタクト領域5に接するようにソース電極10を形成し、裏面にドレイン電極11を形成することで、図1、2に示す炭化珪素半導体装置を得ることができる。
炭化珪素半導体装置の形成工程において、本実施の形態においては、マスク15を用いてエッチングを行い、トレンチ7を形成した後にトレンチ7内部から、又はトレンチ7を埋め込み材料で埋め込み、この埋め込み材料を介在させた斜めイオン注入工程により、p型ボディ領域4を形成した。しかし、以下に変形例を示すように、斜めイオン注入後にトレンチ7を形成するようにしてもよい。すなわち、まず図4(a)に示すように、トレンチ7の形成に先立ち、マスク15の開口部を斜めイオン注入のマスクとして用い、徐々に深くなるようにp型ボディ領域4を形成する。そして、その後に図4(b)に示すように、トレンチ7を、このマスク15を用いたエッチングにより形成する。この時、p型ボディ領域4を形成した後にトレンチ7を形成するため、p型ボディ領域4が、トレンチ7の底面付近以外の側面を覆うように、トレンチ7の深さ、p型ボディ領域4を形成する時の斜めイオン注入角度等を制御することが必要である。
本実施の形態においては、トレンチ7は、図1に示すように一定の間隔をあけてストライプ状となるように形成したが、その他の形状、例えばストライプのエッジがラウンド形状、すなわちストライプが曲率を有していてもよい。また終端領域16のトレンチ7の底面もドリフト層2と接するように形成することが好ましいが、半導体装置の基板周縁部分は製造上のばらつき等が大きくなり、p型ボディ領域4で覆われる場合もある。しかし、p型ボディ領域4とドリフト領域2との界面は斜めになっているため、全体に示す割合は大きくないので、半導体装置のON時の抵抗は大きくは変化せず、問題とはならない。
<炭化珪素半導体装置の特性>
本実施の形態の炭化珪素半導体装置の構成を用いることで、トレンチ7内部から斜めイオン注入によりp型ボディ領域4を形成するため、トレンチ7の底面がp型ボディ領域4に覆われにくくなる。そのためトレンチ7の底部よりゲート絶縁膜8の膜厚±50nmだけ上面側へ移動した部分からp型高濃度ウェル領域6の底部に向けてp型ボディ領域4を形成することができ、トレンチ7側面のドリフト層2と接する面積を小さくすることができる。したがって、ドリフト層2とp型ボディ領域4との接合部に生じる空乏層cによりトレンチ7底部端のゲート絶縁膜8での電界強度を緩和することができ、炭化珪素半導体装置がOFF時には高い耐圧特性を得ることができる。
さらに、p型ボディ領域4がトレンチ7の底部側面から横方向に深くなるように形成され、トレンチ7がp型ボディ領域4にほぼ埋め込まれた構造となっている。p型ボディ領域4はトレンチ7の底面部分には形成されず広くドリフト層2と接しており、トレンチ7の底面近傍には電流経路が確保されている。炭化珪素半導体装置をONとした時、p型ボディ領域4とドリフト層2との接合部から生じる空乏層cによって妨げることがなく、トレンチ7側面にチャネルが生じ、炭化珪素半導体装置が良好なON抵抗を示す。
本実施の形態の炭化珪素半導体装置で見られるトレンチ7底面の電界強度の緩和効果を、従来の構造の炭化珪素半導体装置と比較する。比較対象としては、図5、6に各々断面図を示した構造A、Bである。構造A(図5)はp型高濃度ウェル領域6がトレンチ7よりも浅く、p型ボディ領域4とp型高濃度ウェル領域6との底部端がほぼ一定の深さで形成された従来構造の炭化珪素半導体装置である。構造B(図6)は、構造Aと比べp型高濃度ウェル領域6が深く、トレンチ7の深さと同等となるように形成し、p型ボディ領域4の深さが、トレンチ7近傍からp型高濃度ウェル領域6までほぼ一定となっている。つまり、トレンチ7の底面だけでなく、トレンチ7の底部端の側面がドリフト層2と大きく接している炭化珪素半導体装置である。cは空乏層位置を示す。図5および図6に示す比較例の構造では空乏層cが延びてもトレンチ端を覆うことができない構造となっている。
なお本結果は、計算により得たものであり、耐圧600V仕様の構造Aの炭化珪素半導体装置を基準とした構造条件で計算されたものである。
本実施の形態の炭化珪素半導体装置と図5、6に示した構造A、Bとの、トレンチ7底部のゲート絶縁膜8の電界強度とドレイン電圧の関係を図7に示す。図7に示す細かい点線は構造A、粗い破線は構造B、直線は本実施の形態の炭化珪素半導体装置の特性を示している。
図7より、例えばドレイン電圧を600V印加した場合、構造Aではゲート絶縁膜8の電界強度が7.7MV/cmと高いが、p型高濃度ウェル領域6が深い構造Bでは5.6MV/cmに低減され、さらに、p型ボディ領域4をトレンチ7底部近傍からp型高濃度ウェル領域6へ徐々に深く形成し、トレンチ7のドリフト層2への露出が少ない本実施の形態の炭化珪素半導体装置では4.2MV/cmとさらに低くすることができた。
これは、p型高濃度ウェル領域6を深することで、ドレイン電極11からの電界をp型高濃度ウェル領域6が引きつけ、さらに、トレンチ7のドリフト層2への露出を少なくすることで、p型ボディ領域4とドリフト層2の接合部から広がる空乏層cによりトレンチ7の底部端がドレイン電極11の電界から保護されたためと考えられる。
図8は、図7と同様に構造A、Bおよび本実施の形態の炭化珪素半導体装置のドレイン電流とドレイン電圧の関係を示すもので、ゲート電圧は15Vとしている。この傾きからON抵抗を求めると、構造Aでは1.15mΩcm2、構造Bで1.22mΩcm2、本実施の形態の炭化珪素半導体装置で1.67mΩcm2であった。p型高濃度ウェル領域6等の構造の違いは、電界強度に大きく影響したが、構造Aと構造Bとの比較から炭化珪素半導体装置のON抵抗は炭化珪素半導体装置の構造が変化しても大きな変化は見られなかった。以上より、本実施の形態の炭化珪素半導体装置は構造A、Bと比べると、ON抵抗は同等であるが、耐圧は大きく改善できていることがわかった。
このように本実施の形態の構造では、p型高濃度ウェル領域6をトレンチ7よりも深く形成することで、ドレイン電極11からの電界をp型高濃度ウェル領域6が引きつけるようにし、かつ、トレンチ7のドリフト層2への露出を少なくすることで、p型ボディ領域4とドリフト層2の接合部から広がる空乏層cによりトレンチ7の底部端がドレイン電極11の電界から保護されるため、高耐圧化と、オン抵抗の低減を図ることが可能となる。またトレンチ7底面と、トレンチ7の両側に設けられたp型ボディ領域4の底部端とのなす角が鈍角であるため、p型ボディ領域4とドリフト層2の接合部から広がる空乏層cは、トレンチ7の底部端部分にも広がる。したがって、電界集中の起こり易いゲート電極9の下端近傍を良好に保護することができ、耐圧の向上をはかることができる。
実施の形態2.
<炭化珪素半導体装置の構造>
実施の形態2の炭化珪素半導体装置の断面図を図9に示す。本実施の形態の炭化珪素半導体装置の構造は、実施の形態1の炭化珪素半導体装置と比較すると、基本となる部分は同じであるが、実施の形態1の炭化珪素半導体装置では、p型ボディ領域4のイオン濃度は全体で一定であったが、本実施の形態の炭化珪素半導体装置のp型ボディ領域4ではイオン注入量に分布があり、トレンチ7近傍ではイオン濃度が低く、p型高濃度ウェル領域6に近くなるにつれてイオン濃度が高くなる点で異なっている。
<炭化珪素半導体装置の製造方法>
本実施の形態のp型ボディ領域4は、斜めイオン注入時にレトログレードの注入プロファイルを用いることでトレンチ7から遠ざかるに連れて不純物濃度を高くすることができる。レトログレードプロファイルは、不純物濃度が表面で低く、奥で高いような分布を作るものである。
本実施の形態の炭化珪素半導体装置は、実施の形態1と同様に、図3(a)〜(d)に示した工程に従って形成される。ただし、図3(d)に示す斜めイオン注入の工程において、高いドーズ量でp型高濃度ウェル領域6寄りの部分を一段階注入し、その後にトレンチ7寄りの部分を低いドーズ量でイオン注入する。あるいは、複数回のイオン注入でトレンチ7近傍からp型高濃度ウェル領域6近傍をイオン注入し、p型高濃度ウェル領域6に近づくにつれてドーズ量を高くして注入する。この構成によって図9に示すような、トレンチ7寄りの部分からp型高濃度ウェル領域6寄りの部分へと徐々に不純物濃度が高くなり、p型低濃度ボディ領域13とp型高濃度ボディ領域14とを有するp型ボディ領域4を形成することができる。
ここでp型低濃度ボディ領域13とp型高濃度ボディ領域14との間に明確な境界が存在し、その部分で急激に不純物濃度が変化しても良いし、明確な境界が存在せず、徐々に不純物濃度が変化しても良い。またp型低濃度ボディ領域13とp型高濃度ボディ領域14との間が複数の不純物濃度の異なる領域の連続であっても良い。具体的には、トレンチ7近傍のp型低濃度ボディ領域13の不純物濃度は1x1016〜1×1018/cm3程度であり、1段または複数段の不純物濃度の変化でp型高濃度ウェル領域6の付近に至り、p型高濃度ウェル領域6と同程度の不純物濃度(本実施の形態の場合、1×1018/cm3)とすることができる。
p型ボディ領域4内のp型低濃度ボディ領域13とp型高濃度ボディ領域14の不純物濃度差は、5倍〜200倍の範囲であることが好ましい。不純物濃度差が、これ以下の場合、不純物濃度差が小さすぎて、後述するパンチスルーを制御する効果はほとんどなく、不純物濃度差が200倍より大きい場合、ドリフト層2との間の空乏層が大きくなりすぎ、半導体装置のON時の抵抗が高くなり半導体特性を低下させることになる。
<炭化珪素半導体装置の特性>
このようにp型ボディ領域4の一部に不純物濃度が高い領域を形成すると、OFF時において高電圧を印加するとこの高不純物領域の空乏化を防ぎ、n型ソース領域3とドリフト層2とのパンチスルー(導通)の発生を抑制することができる。一般的にパンチスルーの抑制には、p型高濃度ウェル領域6とトレンチ7との間隔を小さくし、p型ボディ領域4の空乏化を抑制してパンチスルーを防止するのが一般的である。しかしイオン注入工程のイオン注入方向の広がり、マスク15の位置ずれなどにより、トレンチ7とp型高濃度ウェル領域6との間隔をあまり狭くすることができない場合があり、その場合、p型ボディ領域4の一部に高不純物濃度の領域を形成することは有効である。
図10に断面構造を示す炭化珪素半導体装置(構造C)と実施の形態2の炭化珪素半導体装置(図9)についてドレイン電圧とドレイン電流の関係を計算し図11に示す。ここで、図10に示す構造Cと、実施の形態2の炭化珪素半導体装置とは、基本的な構成は同じであるが、構造Cでは、p型ボディ領域4内の不純物濃度が均一であり、実施の形態2では、p型高濃度ウェル領域6へ向かうにつれ不純物濃度が高くなっている点が異なっている。
図11において、ドレイン電流が急激に増加している部分のドレイン電圧がパンチスルー電圧を表している。構造Cの炭化珪素半導体装置では約400V、実施の形態2の炭化珪素半導体装置では約1000Vのパンチスルー電圧を示しており、p型ボディ領域4がイオン濃度に分布を持ち、p型高濃度ウェル領域6に近づくほど不純物イオンの密度が高くなる炭化珪素半導体装置(実施の形態2)では高い耐圧を示した。
以上より、p型ボディ領域4のイオン注入にレトログレードの注入プロファイルを用いて斜め注入により作成した炭化珪素半導体装置では、p型ボディ領域4のp型高濃度ウェル領域6近傍の不純物濃度が高く、パンチスルーの発生が抑制された。
なお、前記実施の形態2では、p型ボディ領域4の不純物濃度が、トレンチ7側よりもp型高濃度ウェル領域6側で高くなるように、p型低濃度ボディ領域13とp型高濃度ボディ領域14とで形成した。これに対し、トレンチ7からp型高濃度ウェル領域6に近づくにつれて次第に高くなるように変化するグレーディング層となっていてもよい。しかし、必ずしもグレーディング層で構成されていなくてもよく、ボディ領域の不純物濃度が、トレンチ7側よりp型高濃度ウェル領域6側で高くなっていればよい。
実施の形態3.
本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の断面図を図12に示す。本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置は、実施の形態1に記載の炭化珪素半導体装置と比較して、トレンチ7の底面に隣接するドリフト層2よりも不純物濃度が高い、n型高濃度領域12が形成されている点で異なっている。
炭化珪素半導体装置の製造方法も、実施の形態1の炭化珪素半導体装置と基本的には同じであるが、トレンチ7を形成した後、トレンチ7の内部へ表面から垂直方向にドナー不純物をイオン注入し、トレンチ7の底面に隣接して、ドリフト層2よりも不純物濃度が高いn型高濃度領域12を形成している点で異なっている。
このトレンチ7の底面にn型高濃度領域12を形成することによって、続く工程において、斜めイオン注入によってトレンチ7の側面にp型ボディ領域4を形成する際に、イオン注入の広がり、又は精度誤差によりトレンチ7の底部にアクセプタ不純物が注入されても、トレンチ7の底面近傍にはすでにn型高濃度領域12が形成されているので、トレンチ7の底面近傍がp型領域となることはない。
トレンチ7の側面にはp型ボディ領域4が形成され、p型ボディ領域4とドリフト層2との間には空乏層が形成されているので、トレンチ7の底面近傍へも空乏層は広がろうとするが、トレンチ7の底面近傍にn型高濃度領域12を形成しておけば空乏層の広がりは制限される。したがって、炭化珪素半導体装置がONとなった場合の電流経路を確保することができ、炭化珪素半導体装置のON時の抵抗を低くすることができる。
トレンチ7の底面に隣接して形成するn型高濃度領域12は、その下に存在するドリフト層2よりも少なくともドナー不純物濃度が2倍〜10倍高いことが必要である。さらに好ましくは、ドリフト層2よりも5倍高い不純物濃度とすることで、上記の効果を得ることができる。n型高濃度領域12の不純物濃度と、ドリフト層2のドナー不純物濃度との差が2倍未満の場合、トレンチ7の底面にn型高濃度領域12を形成した効果が見られず、10倍以上の場合、トレンチ7底面周辺の電界強度が高くなりすぎる恐れがある。
また、n型高濃度領域12の深さは、トレンチ7の底部とドレイン電極11との電界強度を大きくしないように、できるだけ浅く、少なくとも0.5μm以下の深さとすることが必要であり、またn型高濃度領域12としての効果を有するために、0.1μm以上の厚みを有することが必要である。0.1〜0.3μmの範囲とした場合、電界強度の増加もわずかであり、耐圧特性を劣化させることもなく、優れた特性を得ることができる。
実施の形態4.
本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置の上面図を図13に示す。本実施の形態に係る炭化珪素半導体装置は、実施の形態1〜3に記載の炭化珪素半導体装置のようにストライプ状に配置されたトレンチ7と比較して、トレンチ7がp型ボディ領域4などの不純物層を囲むように格子状に配置されている点で異なっている。
図13は炭化珪素半導体装置の表面構造を示しやすくするためにソース電極10を省略した状態を示している。この図に示すような格子状の配置にする場合、それぞれのセルは整列されていなくてもよく、また、セルが多角形、あるいはセルの角が曲率をもっていてもよい。n型ソース領域3とp型ウェルコンタクト領域5はアイランド状に形成され、この2領域の底部に、p型ボディ領域4と、p型高濃度ウェル領域6が形成されている。n型ソース領域3の側面に接するようにトレンチ7が格子状に形成されている。パターン外周には終端領域16が形成されている。図13のB−B部分の断面は、図2、あるいは図12に示されているものと同様である。
この構成は、以下の製造方法により形成できる。図14(a)〜(c)に、本実施の形態の炭化珪素半導体装置の製造工程を示す。ここでは、本実施の形態の特徴であるp型ボディ領域4の製造方法を中心に述べる。それ以外の工程については実施の形態1の製造工程と同様である。
まず、実施の形態1において図3(a)に示したように、n型炭化珪素基板1上にn型炭化珪素層からなるドリフト層2が、エピタキシャル成長法を用いて形成される。
次いで、ドリフト層2表面に、レジストを用いてテーパ状断面をもつテーパ付マスク17を形成する。そして、このテーパ付マスク17を介して素子表面に対して垂直にイオン注入をすることで、図14(a)に示すように、p型ボディ領域4を形成する。この時、テーパ付マスク17のテーパの角度θは、形成したいp型ボディ領域4の傾斜部の角度θと等しい。
そして、図14(b)に示すように、ドリフト層2の表面にn型ソース領域3、p型ウェルコンタクト領域5、p型高濃度ウェル領域6をイオン注入により形成する。
その後、図14(c)に示すように、p型ボディ領域4を貫通するようにトレンチ7を形成することで、p型ボディ領域4が、トレンチ7底部からp型高濃度ウェル領域6の底部に向けて深くなる構造を形成できる。ここで、不純物のイオン注入により形成するn型ソース領域3、p型ボディ領域4、p型ウェルコンタクト領域5、p型高濃度ウェル領域6、およびトレンチ7の形成順序は前後しても良い。
最後に、トレンチ7内にゲート絶縁膜8、およびゲート電極9、n型ソース領域3とp型ウェルコンタクト領域5に接するようにソース電極10を形成し、裏面にドレイン電極11を形成することで、図2、あるいは図12に示す断面と、図13に上面図を示す配置を有する炭化珪素半導体装置を得ることができる。
このような製造方法によれば、p型ボディ領域4を形成する際、素子表面に対し垂直にイオン注入することが出来るので、素子横方向に沿ってはマスクのパターン配置通り、素子縦方向に沿ってはマスク断面の形状通りに不純物層を形成できる。即ち、素子の平面上の配置を任意に選択することが可能となる。
なお、素子横方向、素子縦方向、つまりX方向およびY方向の両方の断面で図14に示すようなテーパ付きマスク17を用いることにより、4方向をテーパ付き断面とするp型ボディ領域4を形成することが可能となる。
また、前記実施の形態1〜4では、n型炭化珪素基板を用いた例について説明したが、p型炭化珪素基板を用いてもよく、適宜選択可能である。
また、トレンチを形成する工程はドライエッチングによって行なったが、ドライエッチングに限定されることなく、ウエットエッチングとの併用であってもよい。
1 n型炭化珪素基板、2 ドリフト層、3 n型ソース領域、4 p型ボディ領域、5 p型ウェルコンタクト領域、6 p型高濃度ウェル領域、7 トレンチ、8 ゲート絶縁膜、9 ゲート電極、10 ソース電極、11 ドレイン電極、12 n型高濃度領域、13 p型低濃度ボディ領域、14 p型高濃度ボディ領域、15 マスク、16 終端領域、17 テーパ付マスク。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、第1導電型の炭化珪素半導体基板上にエピタキシャル成長法により第1導電型の炭化珪素からなるドリフト層を形成する工程と、ドリフト層の表面にトレンチを形成する工程と、イオン注入によりトレンチと一定の間隔を空けて、トレンチより深い第2導電型の高濃度ウェル領域を形成する工程と、トレンチを埋め込み材料を用いて埋め込む工程と、埋め込み材料の埋め込まれたトレンチを介して斜めイオン注入により、トレンチの底部より上側の位置から第2導電型の高濃度ウェル領域の底部端に向けて深くなる第2導電型のボディ領域を形成する工程と、ボディ領域を形成した後に、埋め込み材料を溶解、除去する工程と、含むことを特徴とするものである。

Claims (15)

  1. 第1導電型の炭化珪素半導体基板と、
    前記炭化珪素半導体基板の第1の面に形成され、前記炭化珪素半導体基板よりも低濃度の第1導電型の炭化珪素からなるドリフト層と、
    前記ドリフト層中に形成され、内部にゲート絶縁膜を介してゲート電極が形成されたトレンチと、
    前記トレンチと一定の間隔を隔てて形成され、前記トレンチよりも深く形成された第2導電型の炭化珪素からなる高濃度ウェル領域と、
    前記トレンチの底部側の前記ゲート電極端から前記トレンチを囲み前記高濃度ウェル領域の底部に向けて深くなるように形成された第2導電型の炭化珪素からなるボディ領域と、
    前記ボディ領域の上層部に形成され、前記トレンチの側面と当接するように形成された前記ドリフト層よりも高濃度の第1導電型の炭化珪素からなるソース領域とを有することを特徴とする炭化珪素半導体装置。
  2. 前記トレンチ底面と、前記トレンチの両側に設けられたボディ領域の底部端とでなす角が鈍角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。
  3. 前記ボディ領域の不純物濃度が、前記トレンチ側より前記高濃度ウェル領域側で高くなることを特徴とする請求項2に記載の炭化珪素半導体装置。
  4. 前記ボディ領域は、不純物濃度が、前記高濃度ウェル領域に近づくにつれて、次第に高濃度となるように変化するグレーディング層を構成することを特徴とする請求項3に記載の炭化珪素半導体装置。
  5. 前記ドリフト層中の前記トレンチ底面に接する領域に、前記ドリフト層よりも不純物濃度が高い第1導電型の高濃度層が形成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。
  6. 第1導電型の高濃度層の厚みは、0.1μm〜0.3μmであることを特徴とする請求項5に記載の炭化珪素半導体装置。
  7. 第1導電型の高濃度層の不純物濃度が前記ドリフト層の2倍〜10倍であることを特徴とする請求項5又は6に記載の炭化珪素半導体装置。
  8. 前記トレンチは所定の間隔でストライプ状に形成されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。
  9. 前記トレンチは所定の間隔で格子状に形成されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。
  10. 前記トレンチ側面に接する前記ボディ領域の底部が、前記トレンチの底部より上面側へ前記トレンチ底部の前記ゲート絶縁膜の膜厚±50nm以内に位置することを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。
  11. 前記第1導電型の炭化珪素半導体基板はn型炭化珪素半導体基板であり、
    前記第2導電型の炭化珪素からなるボディ領域は、
    アクセプタ濃度が、1×1016〜1×1018/cm3のp型ボディ領域であることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の炭化珪素半導体装置。
  12. 第1導電型の炭化珪素半導体基板上にエピタキシャル成長法により第1導電型の炭化珪素からなるドリフト層を形成する工程と、
    前記ドリフト層の表面にトレンチを形成する工程と、
    イオン注入により前記トレンチと一定の間隔を空けて、前記トレンチより深い第2導電型の高濃度ウェル領域を形成する工程と、
    前記トレンチを介して斜めイオン注入により、前記トレンチの底部より上側の位置から前記第2導電型の高濃度ウェル領域の底部端に向けて深くなる第2導電型のボディ領域を形成する工程と、を有することを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
  13. 前記ボディ領域を形成する工程に先立ち、
    前記トレンチを埋め込み材料を用いて埋め込む工程を含み、
    前記第2導電型のボディ領域を形成する工程は、
    前記埋め込み材料を介在させて斜めイオン注入を行い、前記トレンチの底部より上側の位置から前記第2導電型の高濃度ウェル領域の底部端に向けて深くなる第2導電型のボディ領域を形成する工程と、
    前記埋め込み材料を溶解、除去する工程と、を含むことを特徴とする請求項12に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。
  14. 第1導電型の炭化珪素半導体基板上にドリフト層をエピタキシャル成長法により形成する工程と、
    前記ドリフト層の表面に第2導電型の高濃度ウェル領域を形成する工程と、
    前記ドリフト層の表面にトレンチを形成するためのレジストパターンを形成する工程と、
    前記レジストパターンをマスクに用いて、斜めイオン注入を行い、前記第2導電型の高濃度ウェル領域の底部端へ向けて深くなる第2導電型のボディ領域を形成する工程と、
    前記レジストパターンをマスクに用いて、底部部より上側の位置で前記第2導電型のボディ領域と接するトレンチをエッチング法により形成する工程と、を有することを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
  15. 第1導電型の炭化珪素半導体基板上にドリフト層をエピタキシャル成長法により形成する工程と、
    前記ドリフト層の表面に第2導電型の高濃度ウェル領域を形成する工程と、
    前記ドリフト層の表面に所望のテーパ角度を有するテーパ付マスクを形成する工程と、
    前記ドリフト層の表面に対して、前記テーパ付マスクの上から垂直にイオン注入を行い、前記第2導電型の高濃度ウェル領域の底部端へ向けて深くなる第2導電型のボディ領域を形成する工程と、
    前記ドリフト層の表面にエッチング法により、前記第2導電型の高濃度ウェル領域よりも浅く、底部部より上側の位置で前記第2導電型のボディ領域と接するトレンチを形成する工程と、を有することを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
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