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JP5452062B2 - 炭化珪素半導体装置の製造方法 - Google Patents
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JP5452062B2 - 炭化珪素半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

この発明は、ゲート容量の低減を図ったゲート構造を有する炭化珪素半導体装置の製造方法に関する。
炭化珪素(SiC)は、従来の珪素(Si)に比べて約3倍の広い禁制帯幅、約10倍の絶縁破壊電界並びに約3倍の熱伝導度を有している。そのため炭化珪素基板を用いて製造した半導体装置(炭化珪素半導体装置)は、珪素基板を用いて製造した半導体装置(珪素半導体装置)に比べて、低抵抗で高温動作が可能であるという特徴を持つ。特に炭化珪素半導体装置としてのMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)やIGBT(Insulated Gate Bipolor Transistor)は、珪素半導体装置としてのMOSFETやIGBTに比べて、通電時の損失やスイッチング動作時の損失を低減させることが可能である。特に高速でスイッチング動作を行う場合には、炭化珪素半導体装置としてのMOSFETやIGBTは、珪素半導体装置としてのMOSFETやIGBTに比べて損失低減の効果が大きいことがわかっている。
ところで炭化珪素半導体装置としてのMOSFETやIGBTを高速でスイッチングする場合には、ゲート容量を低減させることが重要である。
図9は、このゲート容量の低減を図ったゲート構造を有する従来の平面型MOSFETを示す断面図であり、例えば、特許文献1及び2に相当するゲート構造が示されている。また図10から図14は、図9の平面型MOSFETの一般的な製造工程を示す説明図である。
図9から図14を参照して、従来の平面型MOSFETの製造工程並びにその構造について説明する。
まず、n型の炭化珪素基板101の表面上に、エピタキシャル気相成長法によりn型の炭化珪素層102を形成する。次に、炭化珪素層102の選択された領域に、レジスト103をマスクとして、p型の不純物であるアルミニウム(Al)をイオン注入(矢印A)して、ウェル領域104を形成する。イオン注入後、レジスト103は除去される。(図10参照)
次に、ウェル領域104の選択された領域に、レジスト105をマスクとして、n型の不純物である窒素(N)又はリン(P)をイオン注入(矢印B)して、ソース領域106を形成する。イオン注入後、レジスト105は除去される。(図11参照)
次に、ソース領域106の外側に接するようにして、レジスト107をマスクとして、p型の不純物であるアルミニウム(Al)をイオン注入(矢印C)して、コンタクト領域108を形成する。(図12参照)
次に、レジスト107を除去した後、活性化アニ−ル処理(例えば、アルゴン(Ar)雰囲気で1500℃、30分)を行う。(図13参照)
次に、炭化珪素層102の表面上の全面に、熱酸化法によりゲート酸化膜109を形成する。そしてゲート酸化膜109上に、化学気相成長法などによりポリシリコン膜を形成した後、レジストをマスクとして、不要部分をドライエッチング法などにより除去して、ゲート電極110を形成する。この時、ゲート電極110は、ウェル領域104に挟まれた炭化珪素層102の領域であるディプレッション領域111には形成しない。(図14参照)
次に、ゲート酸化膜109及びゲート電極110の表面上に、化学気相成長法により層間絶縁膜112を形成した後、レジストをマスクとして、不要部分をドライエッチング法などにより除去する。
次に、露出したコンタクト領域108、ソース領域106及び層間絶縁膜112の表面上に、物理気相成長法などによりソース電極113を形成する。(図14参照)
最後に、炭化珪素基板101の裏面上に、物理気相成長法などによりドレイン電極114を形成して、図9に示す平面型MOSFETが完成する。
特開2002−190594号公報 特開2007−59636号公報
図9に示すような平面型のMOSFETの場合、ゲート容量の低減は実現できるのであるが、図9のE部に示すゲート電極110の内側におけるゲート電極端、換言すればディプレッション領域111上にあるゲート電極110のゲート電極端の電界が強くなるために、ゲート酸化膜109の信頼性が低下するという問題がある。特に、炭化珪素は、珪素に比較して絶縁破壊電界が一桁大きいために、このゲート電極端の電界が一桁大きくなる。そのため、ゲート酸化膜109の信頼性が低下する問題はより顕著になる。またこのことは平面型のMOSFETと同様のゲート構造を有する平面型のIGBTに対しても同様に生じる問題である。また、商業上の面から見れば、この問題解決にあたり、製造コストの増加を抑えることも必要である。
この発明の第1の目的は、上記に示す問題を解決するためになされたもので、ゲート電極110の内側にあるディプレッション領域111上のゲート電極端に強い電界が生じる場合においても、ゲート酸化膜109にかかる電界を緩和でき、ゲート酸化膜109の信頼性を確保することが可能な炭化珪素半導体装置の製造方法を提供することにある。
またこの発明の第2の目的は、上記第1の目的の実現にあたり、製造コストの増加を極力抑制した炭化珪素半導体装置の製造方法を提供することにある。
この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、第1導電型の炭化珪素層の内部に、活性化アニール処理で拡散せず前記炭化珪素層内で第2導電型となる第1不純物をイオン注入して第2導電型のウェル領域を形成する工程と、前記炭化珪素層の表面と前記ウェル領域に挟まれた領域に、前記活性化アニール処理で拡散せず前記炭化珪素層内で第1導電型となる第2不純物と前記活性化アニール処理で拡散して前記炭化珪素層内で第2導電型となるボロンとを、前記ウェル領域に到達するようにイオン注入して第1導電型のソース領域を形成する工程と、前記炭化珪素層の表面と前記ウェル領域に挟まれた領域であって、かつ前記ソース領域の内側にある前記炭化珪素層に、前記活性化アニール処理により前記ソース領域に含まれる前ボロン前記炭化珪素層の(0001)面内方向に拡散させて第2導電型のチャネル領域を形成する工程と、前記炭化珪素層の表面上に、前記チャネル領域及び前記チャネル領域の内外側にある前記炭化珪素層の表面露出部の一部と前記ソース領域の一部を覆うようにゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程とを含み、前記ウェル領域、前記チャネル領域及び前記ゲート電極は、前記ソース領域の内側を基準とした場合の延出長さを、前記ウェル領域をLwell、前記チャネル領域をLch、前記ゲート電極をLgとした時に、Lch<Lg<Lwellの関係を満たすように形成されることを特徴とするものである。

この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、ウェル領域及びチャネル領域並びにゲート電極のソース領域の内側を基準とした場合の延出長さを、ウェル領域がLwell、チャネル領域がLch、ゲート電極がLgとした場合に、Lch<Lg<Lwellの関係を満たすように形成しているので、炭化珪素層の表面露出部に位置するゲート電極端の電界が緩和されるため、ゲート酸化膜の信頼性を確保することができる。
また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、ソース領域形成時に炭化珪素層内で第1導電型となる第2不純物と第2導電型となる第3不純物とを順次イオン注入して、その後の活性化アニール処理により第3不純物を炭化珪素層内に拡散させてチャネル領域を形成させたので、チャネル領域を形成するのに、レジストなどのマスクを新たに形成して第3不純物をイオン注入する必要がなく、第3不純物をイオン注入する工程のみを追加するだけでよいので、製造コストを極力抑えることができる。
この発明の実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置の製造工程を示す説明図である。 この発明の実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置の製造工程を示す説明図である。 この発明の実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置の製造工程を示す説明図である。 この発明の実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置の製造工程を示す説明図である。 この発明の実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置の製造工程を示す説明図である。 この発明の実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置の製造工程を示す説明図である。 この発明の実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置を示す断面図である。 この発明の実施の形態2に係る炭化珪素半導体装置を示す断面図である。 従来の炭化珪素半導体装置を示す断面図である。 従来の炭化珪素半導体装置の製造工程を示す説明図である。 従来の炭化珪素半導体装置の製造工程を示す説明図である。 従来の炭化珪素半導体装置の製造工程を示す説明図である。 従来の炭化珪素半導体装置の製造工程を示す説明図である。 従来の炭化珪素半導体装置の製造工程を示す説明図である。
実施の形態1
この発明の実施の形態1について、炭化珪素半導体装置の一例として平面型MOSFETを用いて説明する。図1〜図6は、平面型MOSFETの製造工程を示す説明図である。また図7は、この平面型MOSFETの製造工程から得られる平面型MOSFETの構造を示す断面図である。
図1から図7を参照して、この発明に係る平面型MOSFETの製造工程並びにその構造について説明する。
まず、エピタキシャル結晶成長法により、n型(第1導電型)の炭化珪素基板1の表面上に、n型(第1導電型)の炭化珪素層2を形成する。この炭化珪素基板1と炭化珪素層2により炭化珪素ウエハを構成する。(図1参照)
次に、炭化珪素層2の表面から所定の深さの炭化珪素層2の内部に、レジスト3をマスクとして、p型の不純物をイオン注入(矢印G)して、所定の間隔を有してp型(第2導電型)のウェル領域4を選択的に形成する。炭化珪素層2の中でp型となる不純物として、ここではアルミニウム(Al)が用いられる。イオン注入後、レジスト3は除去される。なおイオン注入により形成されるウェル領域4の深さは、注入されるイオンの加速電圧によって制御されるので、所定の深さの炭化珪素層2の内部にウェル領域4が形成されるように加速電圧を設定する。(図1参照)
次に、ウェル領域4上にあって、炭化珪素層2の表面とウェル領域4に挟まれた炭化珪素層2の領域に、レジスト5をマスクとして、n型の不純物とp型の不純物を順次イオン注入(矢印H)して、n型(第1導電型)のソース領域6を選択的に形成する。ソース領域6のn型の不純物濃度は、炭化珪素層2のn型の不純物濃度より相対的に濃くなるように設定される。ここで炭化珪素層2の中でn型となる不純物としては、窒素(N)又はリン(P)が挙げられる。またここで注入されるp型の不純物としては、ボロン(B)が用いられる。またボロンの注入量は窒素又はリンの注入量より少なくして、イオン注入後のソース領域6をn型にしておくことが必要である。また注入されたボロンがウェル領域4に到達しておくことが必要である。なおソース領域6は、図2に示すように、ウェル領域4に入り込んでいても構わない。イオン注入後、レジスト5は除去される。なお、イオン注入により形成されるソース領域6の深さは、注入されるイオンの加速電圧によって制御されるので、所定の深さになるように加速電圧を設定する。またn型の不純物である窒素又はリンとp型の不純物であるボロンのイオン注入順序は逆でもよい。(図2参照)
次に、ウェル領域4上にあって、炭化珪素層2の表面とウェル領域4に挟まれた領域に、レジスト7をマスクとして、p型の不純物をイオン注入(矢印K)して、p型(第2導電型)のコンタクト領域8を選択的に形成する。ここでコンタクト領域8は、ソース領域6の外側に接するように形成される。またコンタクト領域8の不純物濃度は、ウェル領域4の不純物濃度より相対的に濃くなるように設定される。炭化珪素層2の中でp型となる不純物として、ここではアルミニウムが用いられる。イオン注入後、レジスト7は除去される。なお、イオン注入により形成されるコンタクト領域8の深さは、注入されるイオンの加速電圧によって制御されるので、所定の深さになるように加速電圧が設定される。(図3参照)
次に、炭化珪素ウエハに対して活性化アニール処理(例えば、アルゴン(Ar)雰囲気で1500℃、30分)を行う。これにより注入イオンが電気的に活性化され、かつイオン注入により生じた結晶欠陥が回復する。(図4参照)
また活性化アニールの際、ソース領域6にイオン注入されていたボロンが、図4の一点鎖線Mに示すように、ソース領域6の周囲に拡散する。ここで炭化珪素ウエハは、(0001)面であるため、(0001)面内方向の拡散が、(0001)面内に垂直方向の拡散より大きくなる。即ち、ボロンの拡散は、炭化珪素ウエハの面内方向(横方向)が大きく、深さ方向(縦方向)は小さくなる。なお不純物としてのアルミニウム、窒素及びリンは、活性化アニールによっても殆ど拡散しない。そのためイオン注入時の形成プロファイルがそのまま残る。(図4参照)
このように活性化アニール処理によりソース領域6にイオン注入されていたボロンをソース領域6の周囲に拡散させることにより、ウェル領域4上にあって、炭化珪素層2の表面とウェル領域4に挟まれた領域に、ソース領域6の内側に接するようにして、p型(第2導電型)のチャネル領域9が選択的に形成される。即ち、p型の不純物であるボロンを、活性化アニール処理によりn型の炭化珪素層2に拡散させて、n型をp型に反転させることにより、p型のチャネル領域9を形成する。(図5参照)
なおボロンはp型の不純物であるので、p型であるウェル領域4及びp型であるコンタクト領域8に拡散しても、機能的に問題はない。
次に、高温の酸素(O)雰囲気で、炭化珪素層2の表面上の全面に、二酸化珪素(SiO)からなるゲート酸化膜10を形成する。そして、ゲート酸化膜10の表面上に、化学気相成長法によりポリシリコン膜を形成した後、レジストをマスクとして、不要部分をウェットあるいはRIE(Reactive Ion Etching)などによるドライエッチング法により除去してゲート電極11を形成する。この時、ゲート電極11は、チャネル領域9を覆うように形成する。より詳細には、ゲート電極11は、チャネル領域9、並びにチャネル領域9の内外側にある炭化珪素層2の表面露出部の一部及びソース領域6の一部を覆うように形成する。またゲート電極11は、ウェル領域4及びチャネル領域9に挟まれた炭化珪素層2の領域であるディプレッション領域12には形成しない。(図6参照)。
次に、ゲート酸化膜10及びゲート電極11の表面上に、TEOS(Tetraethoxysilane)ガスを用いた化学気相成長法により、二酸化珪素(SiO)からなる層間絶縁膜13を形成した後、レジストをマスクとして、RIEなどによるドライエッチング法により、コンタクト領域8及びソース領域6の一部が露出するようにして、層間絶縁膜13及びゲート酸化膜10を除去する。その後、レジストも除去される。(図6参照)
次に、露出したコンタクト領域8、ソース領域6及び層間絶縁膜13の表面上に、例えばスパッタリングなどの物理気相成長法(PVD(Physical Vapor Deposition)法)により、第1の主電極としてのソース電極14を形成する。ソース電極14は、コンタクト領域8及びソース領域6に電気的に接続されている。(図6参照)
ここでソース電極14となる材料構成例としては、アルミニウム(Al)が挙げられる。なおこの場合、露出したコンタクト領域8とソース領域6の表面にはオーミックコンタクトを得るためのニッケル(Ni)合金が形成されている。
最後に、半導体基板1の裏面上に、スパッタリングなどの物理気相成長法により導電膜からなる第2の主電極としてのドレイン電極15を形成する。(図7参照)
ここでドレイン電極15となる材料構成例としては、ニッケル(Ni)と金(Au)の積層が挙げられる。なおこの場合も、半導体基板1の裏面にはオーミックコンタクトを得るためのニッケル(Ni)合金が形成されている。
以上により、この発明の実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置である平面型MOSFETが完成する。(図7参照)
ところで、このようにして製造された平面型MOSFETにおいて、ゲート電極11の内側におけるゲート電極端、即ちディプレッション領域12上にあるゲート電極端(図中、N部)の電界を緩和するためには、ウェル領域4、チャネル領域9及びゲート電極11が、次に示すような位置関係にあることが必要である。
即ち、図7に示すように、炭化珪素ウエハ面内方向(横方向)において、ソース領域6の内側を基準とし、ディプレッション領域12側に延出した長さとして、ウェル領域4の延出長をLwell、チャネル領域9の延出長をLch、ゲート電極11の延出長をLgとした場合に、
Lch<Lg<Lwell
の関係を満たすことが必要である。
これにより、図7のN部に示すゲート電極11の内側におけるゲート電極端、即ちディプレッション領域12上にあるゲート電極端に生じる強い電界が、ウェル領域4によりシールドされる。
この発明の実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置の製造方法においては、炭化珪素ウエハの面内方向におけるソース領域6の内側からの延出長、具体的にはソース領域6の内側からディプレッション領域12側への延出長を、ウェル領域4をLwell、チャネル領域9をLch、ゲート電極11をLgとした場合に、Lch<Lg<Lwellの関係を満たすようにしてウェル領域4、チャネル領域6及びゲート電極11を形成しているので、炭化珪素層2の表面露出部にあたるディプレッション領域12上にあるゲート電極11のゲート電極端が、ウェル領域4によりシールドされるゲート構造となるため、図9に示したような従来のゲート部の構造に比べて電界が緩和される。よってゲート酸化膜10の信頼性を確保することができる。
また、この発明の実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置の製造方法においては、ソース領域6に注入したボロンを活性化アニール処理で拡散させることによりチャネル領域9を形成している。そのため、ソース領域6の形成時にボロンを注入する工程が追加されること以外は、図10から図14に示す従来の製造工程を利用することができる。チャネル領域9を形成するのに、新たにレジストマスクを形成して、ボロンをイオン注入する必要もない。よって炭化珪素半導体装置の製造コストを抑えることもできる。
さらに、この発明の実施の形態1に係る炭化珪素半導体装置の製造方法においては、チャネル領域9を、ソース領域6に注入したボロンの拡散を利用したセルフアラインにより形成しているので、レジストマスクを用いたイオン注入によりチャネル領域9を形成する場合よりも、チャネル長の制御性が非常に良好となる。このことは、炭化珪素半導体装置の小型化にも有効である。
実施の形態2
実施の形態1においては、ディプレッション領域12上のゲート電極11を無くした平面型MOSFETの例を示したが、図8に示すように、ディプレッション領域12上の全体にゲート電極16が形成されている場合においても、ゲート電極16の電界を緩和する効果を有する。よってゲート酸化膜10の信頼性を確保することができる。なお実施の形態2においては、ゲート電極16以外は実施の形態1で示した図7と同等であるため、図7で付した符号と同じ符号を付し、ここでの説明は省略する。また製造工程においても、実施の形態1で示した工程を用いることにより容易に達成できるため、ここでの説明は省略する。
なお実施の形態2においては、炭化珪素ウエハの面内方向における、ソース領域6の内側からディプレッション領域12側への延出長を、ウェル領域4がLwell、チャネル領域9がLch、とした場合に、Lch<Lwellの関係を満たすようにする必要がある。
また実施の形態2においても、実施の形態1で示したような、製造コストの抑制及びチャネル長の良好な制御性を奏することができる。
なお実施の形態1及び2においては、炭化珪素半導体装置として平面型MOSFETを例として説明したが、当然の事ながら、同様のゲート構造を持つ炭化珪素半導体装置であれば適用可能であり、例えば平面型IGBTに対して適用することができる。なお平面型IGBTに対して適用するには、半導体基板1の第2の主電極15に接する側に第2導電型のコレクタ層を設ければよい。
また実施の形態1及び2において、活性化アニールの際に炭化珪素層2内で拡散しない不純物である第1不純物としてアルミニウム、第2不純物として窒素及びリンを用い、また活性化アニールの際に炭化珪素層2内に拡散する不純物である第3不純物としてボロンを用いて説明したが、ここで示した不純物と同等の特性、詳しくは活性化アニール処理の際に炭化珪素層2内において同等の拡散特性を有する不純物であれば利用可能であり、それらの不純物を用いることも、当然この発明の範囲に含まれるものである。
1 n型(第1導電型)の炭化珪素基板、2 n型(第1導電型)の炭化珪素層、3 レジスト、4 p型(第2導電型)のウェル領域、5 レジスト、6 n型(第1導電型)のソース領域、7 レジスト、8 p型(第2導電型)のコンタクト領域、9 p型(第2導電型)のチャネル領域、10 ゲート酸化膜、11 ゲート電極、12 ディプレッション領域、13 層間絶縁膜、14 第1の主電極としてのソース電極、15 第2の主電極としてのドレイン電極

Claims (3)

  1. 第1導電型の炭化珪素層の内部に、活性化アニール処理で拡散せず前記炭化珪素層内で第2導電型となる第1不純物をイオン注入して第2導電型のウェル領域を形成する工程と、
    前記炭化珪素層の表面と前記ウェル領域に挟まれた領域に、前記活性化アニール処理で拡散せず前記炭化珪素層内で第1導電型となる第2不純物と前記活性化アニール処理で拡散して前記炭化珪素層内で第2導電型となるボロンとを、前記ウェル領域に到達するようにイオン注入して第1導電型のソース領域を形成する工程と、
    前記炭化珪素層の表面と前記ウェル領域に挟まれた領域であって、かつ前記ソース領域の内側にある前記炭化珪素層に、前記活性化アニール処理により前記ソース領域に含まれる前記ボロンを前記炭化珪素層の(0001)面内方向に拡散させて第2導電型のチャネル領域を形成する工程と、
    前記炭化珪素層の表面上に、前記チャネル領域及び前記チャネル領域の内外側にある前記炭化珪素層の表面露出部の一部と前記ソース領域の一部を覆うようにゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と
    を含み、
    前記ウェル領域、前記チャネル領域及び前記ゲート電極は、
    前記ソース領域の内側を基準とした場合の延出長さを、前記ウェル領域をLwell、前記チャネル領域をLch、前記ゲート電極をLgとした時に、
    Lch<Lg<Lwell
    の関係を満たすように形成されることを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
  2. 第1導電型の炭化珪素層の内部に、活性化アニール処理で拡散せず前記炭化珪素層内で第2導電型となる第1不純物をイオン注入して第2導電型のウェル領域を形成する工程と、
    前記炭化珪素層の表面と前記ウェル領域に挟まれた領域に、前記活性化アニール処理で拡散せず前記炭化珪素層内で第1導電型となる第2不純物と前記活性化アニール処理で拡散して前記炭化珪素層内で第2導電型となるボロンとを、前記ウェル領域に到達するようにイオン注入して第1導電型のソース領域を形成する工程と、
    前記炭化珪素層の表面と前記ウェル領域に挟まれた領域であって、かつ前記ソース領域の内側にある前記炭化珪素層に、前記活性化アニール処理により前記ソース領域に含まれる前記ボロンを前記炭化珪素層の(0001)面内方向に拡散させて第2導電型のチャネル領域を形成する工程と、
    前記炭化珪素層の表面上に、前記チャネル領域、前記チャネル領域の内外側にある前記炭化珪素層の表面露出部及び前記ソース領域の一部を覆うようにゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
    を含み、
    前記ウェル領域、前記チャネル領域は、
    前記ソース領域の内側を基準とした場合の延出長さを、前記ウェル領域をLwell、前記チャネル領域をLchとした時に、
    Lch<Lwell
    の関係を満たすように形成されることを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
  3. 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であって、
    前記第1不純物はアルミニウムであり、前記第2不純物は窒素又はリンであ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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