JP5882363B2 - Method for manufacturing silicon carbide semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に半導体素子の終端構造およびアライメントマークの形成技術に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a termination structure of a semiconductor element and a technique for forming an alignment mark.
高耐圧、低損失および高耐熱を実現できる次世代のスイッチング素子として、炭化珪素(SiC)を用いた半導体素子が有望視されており、インバータなどのパワー半導体装置への適用が期待されている。しかしSiC半導体装置には、多くの解決すべき課題が残されている。その一つは、半導体素子の外周部である終端部(例えばショットキーバリアダイオードのショットキー電極の端部や、pnダイオードやMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)のpn接合の端部)における電界集中により半導体装置の耐電圧特性が低下する問題である。 Semiconductor elements using silicon carbide (SiC) are promising as next-generation switching elements that can achieve high breakdown voltage, low loss, and high heat resistance, and are expected to be applied to power semiconductor devices such as inverters. However, many problems to be solved remain in the SiC semiconductor device. One of them is an electric field in a terminal portion (for example, an end portion of a Schottky electrode of a Schottky barrier diode or an end portion of a pn junction of a pn diode or MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)) that is an outer peripheral portion of the semiconductor element. This is a problem that the withstand voltage characteristic of the semiconductor device deteriorates due to concentration.
半導体素子の終端部に生じる電界を緩和する終端構造の代表例としては、ガードリング構造や、JTE(Junction Termination Extension)構造、FLR(Field Limiting Ring)構造等がある(例えば特許文献1、2)。これらはいずれも半導体素子を囲むように形成される不純物領域である。一般に、JTE構造は表面電界を低減する目的で設けられ、半導体素子の終端部から外へ向けて段階的に不純物濃度が低くなる構造を有している。これに対し、FLR構造は、同じ濃度の複数の不純物領域から成る。
Typical examples of the termination structure for relaxing the electric field generated at the termination portion of the semiconductor element include a guard ring structure, a JTE (Junction Termination Extension) structure, and an FLR (Field Limiting Ring) structure (for example,
例えば下記の特許文献1には、ガードリングとJTEとを組み合わせた終端構造が開示されている。特許文献1の終端構造は、ガードリングの外側に、当該ガードリングよりも不純物濃度を低くしたJTEが配設された構造である。また特許文献1では、ガードリングおよびJTEを、半導体層表面に設けたリセスの下に形成することにより、電界集中が生じ易いガードリングおよびJTEの底端部と半導体層表面との距離を長くし、半導体層表面の電界を更に緩和させる技術が提案されている。
For example,
また、特許文献3〜5には、半導体ウェハの位置合わせに用いるアライメントマークの深さを、アライメントマークの検出光の波長に応じて決定する技術が開示されている。 Patent Documents 3 to 5 disclose techniques for determining the depth of an alignment mark used for alignment of a semiconductor wafer according to the wavelength of the detection light of the alignment mark.
一般に、シリコン(Si)にイオン注入された不純物はある程度拡散するが、SiCにイオン注入された不純物はほとんど拡散しない。そのため特許文献1のようにSiC半導体装置のガードリングやJTE等の不純物領域(以下「終端領域」)をリセスの下に形成すると、リセスの底部の極近傍に、不純物濃度の高い終端領域が形成される。終端領域の不純物濃度が高いと、高電圧が印加されたときの空乏層の伸びが小さく、終端領域内に高電界が生じる。特に、終端領域上のリセスの底端部では電界集中が生じ易いため、その部分で絶縁破壊を引き起こす原因となる。
In general, impurities implanted into silicon (Si) diffuse to some extent, but impurities implanted into SiC hardly diffuse. Therefore, when an impurity region (hereinafter referred to as “termination region”) such as a guard ring or JTE of an SiC semiconductor device is formed under the recess as in
その対策として、特許文献1の終端構造では、終端領域をその上のリセスの外縁部にまで広げて形成している(すなわち各終端領域の幅がその上のリセスの幅よりも広い)。それにより、終端領域の縦断面積が大きくなるので、リセス底端部での電界集中が緩和される。しかし終端領域をリセスよりも幅広に形成するためには、リセスを形成するエッチング用のマスク(エッチングマスク)と、終端領域を形成するイオン注入用のマスク(注入マスク)とをそれぞれ個別に用意する必要があり、製造工程が複雑化するため、製造時間の長期化とコストの増大が問題となる。
As a countermeasure, in the termination structure of
そのためSiC半導体装置においては、製造工程の簡略化と終端領域の高耐圧化との両立の観点から、特許文献2のように、リセスを有さず上面が平坦な終端構造が好ましい場合がある。しかし、SiC半導体の製造では各注入マスクの位置合わせのためのリセス状のアライメントマークを基板上に直接形成する必要があるため、従来の製造方法では、上面が平坦な終端構造を用いる場合でも、終端領域形成用の注入マスクとは別に、アライメントマーク形成用のエッチングマスクが必要となっていた。
Therefore, in the SiC semiconductor device, from the viewpoint of achieving both simplification of the manufacturing process and high withstand voltage of the termination region, a termination structure having no recess and a flat top surface may be preferable as in
また従来はリセス状のアライメントマークの深さが最適化されておらず、アライメントマークを覆う膜の屈折率が製造工程の途中で変化すると、アライメントマーク検出用の回折光の強度が大きく変化する。その場合、アライメントマークを用いたマスクの位置決め精度が低下して、重ね合わせ誤差が大きくなることがあった。その結果、半導体装置の製造の歩留まりが低下するという問題が生じる。 Conventionally, the depth of the recess-shaped alignment mark is not optimized, and when the refractive index of the film covering the alignment mark changes during the manufacturing process, the intensity of the diffracted light for detecting the alignment mark changes greatly. In that case, the positioning accuracy of the mask using the alignment mark is lowered, and the overlay error may be increased. As a result, there arises a problem that the manufacturing yield of the semiconductor device is lowered.
本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、終端領域の耐圧低下を抑えつつ、製造時におけるマスク数の削減およびアライメントマークの検出精度向上を図ることが可能な炭化珪素半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and is capable of reducing the number of masks during manufacturing and improving the detection accuracy of alignment marks while suppressing a decrease in breakdown voltage of the termination region. An object is to provide a semiconductor device.
本発明に係る炭化珪素半導体装置の製造方法は、(a)炭化珪素半導体層上に、半導体素子の終端部となる領域上に第1の開口部および第2の開口部を有するレジストパターンを形成する工程と、(b)前記レジストパターンをマスクとするエッチングにより、前記第1の開口部の下の炭化珪素半導体層に深さ50nm以下のリセスを、前記第2の開口部の下の炭化珪素半導体層に深さ50nm以下のアライメントマークをそれぞれ形成する工程と、(c)前記工程(b)の後に、前記レジストパターンをマスクにして不純物をイオン注入することにより、前記リセスの下に終端領域を形成する工程と、(d)前記炭化珪素半導体層にマーク検出用照射光を照射し、前記マーク検出用照射光が前記アライメントマークのエッジ部分で反射した反射光であり、当該エッジ部分以外での反射光の方向とは異なる特定の光学経路へ進入するマーク検出用回折光を検出することによって、前記アライメントマークを検出する工程とを備え、前記工程(d)の際に前記アライメントマーク上に形成されている膜の屈折率の最大値をnmax、前記アライメントマークの検出のために前記炭化珪素半導体層に照射する前記マーク検出用照射光の波長をλとすると、前記アライメントマークの深さは、λ/nmax/6以下であるものである。
In the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention , (a) a resist pattern having a first opening and a second opening is formed on a silicon carbide semiconductor layer on a region serving as a terminal portion of a semiconductor element. And (b) forming a recess having a depth of 50 nm or less into the silicon carbide semiconductor layer under the first opening by etching using the resist pattern as a mask, and silicon carbide under the second opening. A step of forming alignment marks each having a depth of 50 nm or less in the semiconductor layer; and (c) after the step (b), impurities are ion-implanted using the resist pattern as a mask, so that a termination region is formed under the recess. And (d) irradiating the silicon carbide semiconductor layer with mark detection irradiation light, and the mark detection irradiation light is reflected at an edge portion of the alignment mark. Detecting the alignment mark by detecting diffracted light for mark detection that is incident light and enters a specific optical path different from the direction of reflected light other than the edge portion, and includes the step (d ), The maximum value of the refractive index of the film formed on the alignment mark is n max , and the wavelength of the mark detection irradiation light irradiated to the silicon carbide semiconductor layer for detection of the alignment mark is λ Then, the depth of the alignment mark is λ / n max / 6 or less.
本発明に係る炭化珪素半導体装置の終端領域上に形成されるリセスは、アライメントマークと同時に形成できる。つまり、終端領域のパターンとアライメントマークのパターンとを同一のマスクを用いて同時に形成できるため、従来よりも必要なマスク数を減らすことができ、製造コストの削減に寄与できる。また、終端領域上のリセスの深さを50nm以下とすることにより、終端領域上面の段差が小さくなるので、終端領域のリセスの底面部での電界集中が抑制され、終端領域の高耐圧化を図ることができる。 The recess formed on the termination region of the silicon carbide semiconductor device according to the present invention can be formed simultaneously with the alignment mark. In other words, since the termination region pattern and the alignment mark pattern can be formed simultaneously using the same mask, the number of masks required can be reduced as compared with the prior art, and the manufacturing cost can be reduced. Further, by setting the depth of the recess on the termination region to 50 nm or less, the step on the upper surface of the termination region is reduced, so that electric field concentration at the bottom surface of the recess in the termination region is suppressed, and the breakdown voltage of the termination region is increased. Can be planned.
この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。 The objects, features, aspects and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description and the accompanying drawings.
<実施の形態1>
図1は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置の終端構造およびアライメントマークの構成を示す図である。ここではその一例として、炭化珪素(SiC)半導体を用いて形成したショットキーバリアダイオードの外周部に、終端領域としてガードリングを配設した構成を示している。<
FIG. 1 is a diagram showing the termination structure and alignment mark configuration of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. Here, as an example, a configuration is shown in which a guard ring is provided as a termination region on the outer periphery of a Schottky barrier diode formed using a silicon carbide (SiC) semiconductor.
当該半導体装置は、n型のSiC基板1と、当該SiC基板1の上面(第1主面)上に成長させたn型のSiCエピタキシャル層2とから成るエピタキシャル基板を用いて形成されている。SiCエピタキシャル層2の上面には、当該SiCエピタキシャル層2とショットキー接続するショットキー電極3を介して表面電極4が配設される。当該半導体装置の上面はポリイミド等の表面保護膜7で覆われるが、表面電極4は配線を接続するためのパッド電極として機能するため、表面保護膜7における表面電極4上の部分は除去されている。またSiC基板1の下面(第2主面)には、SiC基板1とオーミック接続するオーミック電極5を介して裏面電極6が配設される。
The semiconductor device is formed using an epitaxial substrate including an n-
SiCエピタキシャル層2の上面部分におけるショットキー電極3の端部下を含む領域には、水平方向の耐圧を確保するため、p型の不純物領域8aである終端領域8(ガードリング)が形成されている。
A termination region 8 (guard ring), which is a p-
またSiCエピタキシャル層2の上面には、各種マスクの位置合わせに用いられるリセス状のアライメントマーク9が形成されている。
In addition, recess-like alignment marks 9 used for alignment of various masks are formed on the upper surface of the
図1の如く、終端領域8の上面には、リセス10が形成されている。このリセス10は、アライメントマーク9と同時に形成されるため、アライメントマーク9とリセス10とはほぼ同じ深さである。また、アライメントマーク9およびリセス10は非常に浅く形成されており、その深さは、50nm以下と、λ/nmax/6以下(nmaxは製造過程におけるSiCエピタキシャル層2上に形成されるレジスト等の膜の最大の屈折率、λはアライメントマーク9の検出光の波長である)とのいずれか小さいものとなっている。As shown in FIG. 1, a
詳細は後述するが、上の条件を満たす程度にアライメントマーク9およびリセス10が浅い場合、アライメントマーク9においては、当該アライメントマーク9の検出の際、常に強いマーク検出用回折光が得られ、その検出精度が向上する。また、終端領域8においては、リセス10の底面での電界強度が、リセス10が無い場合に近い程度に小さく抑えられる。つまり、アライメントマーク9の検出精度の向上によるマスクの位置合わせ精度を向上、並びに、終端領域8における電界集中の抑制による耐圧向上の両立を図ることができる。
Although details will be described later, when the
図2〜図5は、図1に示したショットキーバリアダイオードおよびその終端構造、並びにアライメントマークの形成方法を示す工程図である。以下、これらの図に基づいて、実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を説明する。 2 to 5 are process diagrams showing a Schottky barrier diode shown in FIG. 1, its termination structure, and a method of forming an alignment mark. Hereinafter, based on these drawings, a method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment will be described.
まず、n型のSiC基板1を用意し、その上にn型のSiCエピタキシャル層2を成長させる。SiC基板1としては、例えば4Hのポリタイプを有し、上面(第1主面)が面方位(0001)から一定のオフ角だけ傾いたものを使用することができる。SiCエピタキシャル層2は、ドーピング濃度が1〜20×1015/cm3、膜厚が3〜50μm程度とする。SiC基板1およびSiCエピタキシャル層2に導入するn型不純物は例えば窒素(N)等である。First, an n-
SiCエピタキシャル層2上に酸化膜(図示せず)を形成した上で、終端領域8を形成するための注入マスクと、アライメントマーク9を形成するためのエッチングマスクを兼ねたレジストパターン11を転写工程により形成する(図2)。つまりレジストパターン11は、終端領域8の形成領域上に位置する開口部12b(第1の開口部)と、アライメントマーク9の形成領域上に位置する開口部12a(第2の開口部)とを有する形状となっている。
After forming an oxide film (not shown) on the
次に、レジストパターン11をマスクに用いるエッチングにより、開口部12aの下のSiCエピタキシャル層2にリセス状のアライメントマーク9を形成する(図3)。このとき、開口部12bに露出したSiCエピタキシャル層2の部分(終端領域8の形成領域)もエッチングされるため、図3に示すように、アライメントマーク9と同時にリセス10が形成される。このとき、アライメントマーク9およびリセス10は極浅く形成する。
Next, a recess-shaped
終端領域の上面に深いリセス(高い段差)があると、その段差部分(リセスの底端部)に電界集中が生じやすく耐圧が劣化する要因となり得る。特に、SiC半導体では、その材料特性上、Si半導体より絶縁耐圧が約10倍高くなり、また、不純物が拡散しにくく、終端領域の上面部の不純物濃度が高くなるため、その問題が顕著に現れる。本実施の形態では、終端領域8上に位置するリセス10を極めて浅くすることで、その問題を回避している。
If there is a deep recess (high step) on the upper surface of the termination region, electric field concentration tends to occur at the step portion (bottom end portion of the recess), which can cause a breakdown voltage to deteriorate. In particular, the SiC semiconductor has a breakdown voltage about 10 times higher than that of the Si semiconductor due to its material characteristics, and it is difficult for impurities to diffuse, and the impurity concentration in the upper surface portion of the termination region becomes high. . In the present embodiment, the problem is avoided by making the
アライメントマーク9およびリセス10を形成した後、残存するレジストパターン11をマスクに用いてp型不純物をイオン注入することにより、SiCエピタキシャル層2の上面部分に終端領域8となる不純物領域8aを形成する(図4)。このとき、p型不純物は、開口部12a、12bに露出したSiCエピタキシャル層2の部分にイオン注入されるので、アライメントマーク9の底部にも終端領域8と同様の不純物領域8aが形成される。p型不純物としては、例えばアルミニウム(Al)が挙げられる。
After the
続いてレジストパターン11を除去し、終端領域8に導入したp型不純物を活性化させるために、SiC基板1およびSiCエピタキシャル層2を1500℃以上の温度に加熱する(図5)。
Subsequently, the resist
その後、SiC基板1の下面(裏面)に、例えばニッケル(Ni)等の金属膜を形成してアニールを行うことで、シリサイド(例えばNiSi)のオーミック電極5を形成する。さらに、オーミック電極5上に裏面電極6を形成する。裏面電極6としては、例えばNi層とAu層の二層構造を用いることができ、その場合、半導体装置の裏面を、半田を用いてダイボンドする際、半田の濡れ性が良好になる。
Thereafter, an
また、SiC基板1の上面に例えばチタン(Ti)等の金属膜を形成して、ショットキー電極3を形成する。さらに、その上にアルミニウム等の金属膜を成膜することで、ショットキー電極3の上に表面電極4を形成する。そしてSiCエピタキシャル層2および表面電極4上に、ポリイミド等の表面封止材料を塗布して焼成することで表面保護膜7を形成する。
Further, a Schottky electrode 3 is formed by forming a metal film such as titanium (Ti) on the upper surface of the
以上の工程により、図1に示したショットキーバリアダイオード、および上面にリセス10を有する終端領域8、並びにリセス状のアライメントマーク9が形成される。
Through the above steps, the Schottky barrier diode shown in FIG. 1, the
ここで、実施の形態1の半導体装置における終端領域8の上面のリセス10およびアライメントマーク9は、深さが非常に浅い点に特徴がある。以下、リセス10およびアライメントマーク9の深さ(段差の高さ)について説明する。
Here, the
まず、終端領域8上のリセス10の深さについて説明する。上記したように、終端領域上のリセスの深さ(段差)が大きいほど、リセス底部の電界強度が高くなり、リセスの底端部における電界集中によって終端領域の耐圧が劣化する傾向にある。特に、SiC半導体では不純物が拡散しにくく、終端領域の底部近傍の不純物濃度が高くなるため、この傾向は顕著になる。
First, the depth of the
本発明者は、終端領域上のリセスの深さと、当該リセスの底部における電界強度との関係を実験により検証した。図6は、そのシミュレーション結果を示す図であり、終端領域上に形成されたリセスの深さと、当該リセスの底部における電界強度との関係を示すグラフである。図6において、リセスの深さが大きいほどリセス底部の電界強度が高くなるが、その一方で、終端領域上のリセスの深さを50nm以下にすると、その電界強度が大幅に小さくなり、リセス無しの状態に極めて近くなることが分かった。 The inventor has verified the relationship between the depth of the recess on the termination region and the electric field strength at the bottom of the recess by experiments. FIG. 6 is a graph showing the simulation results, and is a graph showing the relationship between the depth of the recess formed on the termination region and the electric field strength at the bottom of the recess. In FIG. 6, the electric field strength at the bottom of the recess increases as the depth of the recess increases. On the other hand, when the depth of the recess on the termination region is 50 nm or less, the electric field strength is significantly reduced and there is no recess. It turned out to be very close to this state.
従って、本実施の形態のように、終端領域8上のリセス10の深さを50nm以下にすれば、リセス10の底部における電界強度を小さく抑えることができ、その底端部における電界集中が緩和されて、リセスが無い状態に近い状態にすることができる。それにより、半導体素子の終端部の高耐圧化を図ることができる。特に、終端領域8の底部近傍の不純物濃度が高くなりやすいSiC半導体装置に対して効果的である。
Therefore, if the depth of the
なお、終端部での電界分布は、半導体素子自体の耐圧にはそれほど依存しないため、この効果は、例えば数百Vの低耐圧の半導体装置から3000V以上の高耐圧の半導体装置まで、幅広い耐圧の半導体装置において得ることができる。 Since the electric field distribution at the termination does not depend so much on the breakdown voltage of the semiconductor element itself, this effect has a wide breakdown voltage range from, for example, a low breakdown voltage semiconductor device of several hundred volts to a high breakdown voltage semiconductor device of 3000 V or higher. It can be obtained in a semiconductor device.
次に、アライメントマーク9の深さについて説明する。一般に半導体装置の製造の露光工程にはステッパーが用いられている。ステッパーで使用されるアライメントマークは、例えば特公平6−72766号公報に示されているように矩形パターンを複数個並べた構成となっている。その場合、アライメントマークの検出は、それら複数の矩形パターンからの回折光が重畳した光を検出することによって行われる。
Next, the depth of the
図7は、ひとつのアライメントマーク9のエッジ部分の拡大断面図である。アライメントマーク9の位置を検出する際、SiCエピタキシャル層2の上面にはマーク検出用のレーザ光(マーク検出用照射光)が照射される。
FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of an edge portion of one
図7のように、SiCエピタキシャル層2の上面に垂直な方向から、マーク検出用照射光40がアライメントマーク9に入射したとする。SiCエピタキシャル層2に到達したマーク検出用照射光40の大半は反射光41となるが、その一部はアライメントマーク9のエッジ部で反射して回折光41aとなる。さらに回折光41aの一部は、アライメントマーク9の位置を検出するための光学経路に進入する、マーク検出用回折光41bとなる。
As shown in FIG. 7, it is assumed that the mark
アライメントマーク9のエッジの上部で回折されたマーク検出用回折光41b1と、下部で回折されたマーク検出用回折光41b1とが干渉するため、結果として、それらを含むマーク検出用回折光41bの強度は、そのマーク検出用回折光41b1、41b2の位相差によって決まる。2つのマーク検出用回折光41b1、41b2の位相差は両者の経路差に依存するため、マーク検出用回折光41bの強度はアライメントマーク9のエッジの段差によって決まることになる。A mark detecting diffracted light 41b 1 diffracted by the upper edge of the
図8は、SiCエピタキシャル層2の上面に形成されるアライメントマーク9のエッチング深さ(アライメントマーク段差)と、マーク検出用回折光41b1、41b2によるマーク検出用回折光41bの正規化された光強度(正規化光強度)との関係を示すグラフである。図8に示す実線のグラフは、アライメントマーク9が、屈折率が1.6のレジストで覆われている場合を示し、破線のグラフは、アライメントマーク9が、屈折率が4のポリシリコンで覆われている場合を示している。またどちらの場合もマーク検出用照射光40の波長は633nmであるとする。FIG. 8 shows the normalized etching depth (alignment mark step) of the
図8から分かるように、マーク検出用回折光41bの正規化された光強度が1に近づくためのアライメントマーク9の段差は、アライメントマーク9を覆う膜の材質によって異なる。図8に示す例では、アライメントマーク9の段差が0nm付近と400nm付近のときに、アライメントマーク9がレジストとポリシリコンのどちらで覆われていても、マーク検出用回折光41bが強くなる。特に、アライメントマーク9の段差が50nm以下、望ましくは20nm以下の場合は、マーク検出用回折光41b1、41b2の経路差が小さいので、アライメントマーク9がレジストやポリシリコン以外のあらゆる膜で覆われていても、マーク検出用回折光41bは強くなる。As can be seen from FIG. 8, the step of the
図9は、図8のグラフのアライメントマーク段差が0〜100nmの部分に対応するグラフである。マーク検出用回折光41bの光強度が、干渉の無い場合より強くなるのは正規化光強度が0.25以上のときである。アライメントマーク9が屈折率1.6のレジストで覆われている場合、マーク検出用回折光41b1、41b2の干渉により、マーク検出用回折光41bの正規化光強度が0.25以上になるのは、アライメントマーク9の深さが約50nm以下のときである。また、アライメントマーク9が屈折率4のポリシリコン膜で覆われている場合、マーク検出用回折光41bの正規化光強度が0.25以上になるのは、アライメントマーク9の深さが約20nm以下のときである。FIG. 9 is a graph corresponding to a portion where the alignment mark step in the graph of FIG. 8 is 0 to 100 nm. The light intensity of the mark detection diffracted light 41b is stronger than when there is no interference when the normalized light intensity is 0.25 or more. When the
また、アライメントマーク9のエッジの段差が深い時には、エッチングにより段差が逆テーパー形状になったり、段差下の形状がくぼんだりすることにより、段差の下部からのマーク検出用回折光41b2をアライメントマーク9の検出に利用できない場合がある。このような場合には、段差の上部および下部からのマーク検出用回折光41b1、41b2の干渉は生じることがなく、アライメントマーク9検出のための光の強度が低下し、アライメント精度が劣化する。Further, when the step edge of the
よって本実施の形態のように、アライメントマーク9のエッジの段差を極めて浅くすると、アライメントマーク9を覆う膜の材質を問わず、常に強いマーク検出用回折光41bを得ることができる。具体的には、半導体装置の製造におけるアライメントマーク9を検出する工程の際にアライメントマーク9上に形成されている膜(例えばレジスト、酸化膜、ポリシリコンなど)の屈折率の最大値をnmaxとし、マーク検出用照射光40の波長をλとすると、アライメントマーク9の深さ(段差)がλ/nmax/6以下であれば、アライメントマーク9それらの膜のどれで覆われていてもマーク検出用回折光41b1、41b2の位相差λ/3以下になるので、マーク検出用回折光41b1、41b2は互いに強め合うことになり、常に強いマーク検出用回折光41bを得ることができる。その結果、マスクの位置合わせずれを防止でき、歩留まりの向上を図ることができる。Therefore, when the step of the edge of the
なお、通常、半導体装置の製造ではアライメントマーク9の検出工程は複数回行われ、その工程が行われるたびにアライメントマーク9上に形成されている膜が異なる場合があるが、上記のnmaxは、それら複数回の検出工程を通しての最大値である。Normally, the detection process of the
また、アライメントマーク9のエッジの段差がSiCエピタキシャル層2の平坦な部分における表面粗さ(5nm程度)よりも小さいと、アライメントマーク9と他の部分との区別がつかないため、その段差はSiCエピタキシャル層2の表面粗さよりも大きくなければならない。つまり本実施の形態のアライメントマーク9の深さは、それが形成されるSiCエピタキシャル層2の表面粗さ(5nm)よりも大きく、且つ、λ/nmax/6以下とするとよい。In addition, if the step of the edge of the
このように、終端領域8上のリセス10の深さは、終端領域8の耐圧確保の観点から50nm以下であることが好ましく、アライメントマーク9の深さは、アライメントマーク9の検出精度確保の観点から、λ/nmax/6以下であることが好ましいことが分かる。本実施の形態では、終端領域8の耐圧確保とアライメントマーク9の検出精度確保を両立するために、終端領域8およびアライメントマーク9の深さを、50nm以下、且つ、λ/nmax/6以下としている。Thus, the depth of the
以上のように、実施の形態1によれば、終端領域8上のリセス10が極めて浅いため、当該終端領域8での電界集中を抑制でき、高耐圧な終端構造が得られる。また、終端領域8を形成する際の注入マスクと、アライメントマーク9を形成する際のエッチングマスクとが、同一のレジストパターン11によって実現されるため、必要なマスク数を減らすことができ、製造コストの削減に寄与できる。さらに、アライメントマーク9も極めて浅く形成されることにより、半導体装置の製造過程でアライメントマーク9を覆う膜が変化しても、マーク検出用回折光41bの強度を高く維持でき、複数回のマスクの位置合わせを常に良好にでき、SiC半導体装置の製造における歩留まりが向上する。
As described above, according to the first embodiment, since the
なお、レジストは基本的に紫外線領域のg線(波長436nm)やi線(波長365nm)で感光するため、アライメントマーク9の検出光(マーク検出用照射光)の波長は、レジストを感光させる恐れの無い長波長側の赤色もしくは赤外領域であることが望ましく、一般的にはHe−Neレーザー(波長633nm)が用いられている。上の説明で、アライメントマーク9の検出光の波長を633nmと仮定したのは、それが理由である。但し、本発明に適用可能なマーク検出用照射光はこれに限られず、赤色や赤外域の半導体レーザー(波長650nmや780nm)を用いても問題はない。
Since the resist is basically exposed with g-rays (wavelength 436 nm) and i-rays (wavelength 365 nm) in the ultraviolet region, the wavelength of the detection light (mark detection irradiation light) of the
ここで、アライメントマーク9およびリセス10の深さに関する実験結果を示す。図10は、アライメントマーク9の深さを変えて行った、アライメントマークの検出実験の結果を示す図である。この実験では、アライメントマーク9の深さを20nm〜80nmの範囲で変化させ、各場合でのアライメントマーク9の検出可否を確認した。
Here, the experimental result regarding the depth of the
一般的に、半導体装置の製造過程には、アライメントマークがレジストで覆われる工程や、金属膜で覆われる工程などがある。本実験では、そのような半導体装置の製造工程を模擬して、(1)アライメントマーク9上に何ら膜が形成されていない場合、(2)アライメントマーク9上に厚さ2.3μmのレジストが形成されている場合、(3)アライメントマーク9上に厚さ200nmのTiが形成されている場合、(4)アライメントマーク9上に厚さ200nmのTiと厚さ2.3μmのレジストが重ねて形成されている場合の4種類の構造について、アライメントマーク9の検出可否を確認した。
In general, a semiconductor device manufacturing process includes a process in which an alignment mark is covered with a resist and a process in which the alignment mark is covered with a metal film. In this experiment, by simulating the manufacturing process of such a semiconductor device, (1) when no film is formed on the
図10に示すように、アライメントマーク9の深さを20nmまで浅くしても、上記4種類の構造の全ての場合で、アライメントマーク9を検出することができた。これは、アライメントマーク9を浅くしても、アライメントマーク9検出用の光学系で受光される回折光の強度の低下がなく、むしろ増加しているためと考えられる。
As shown in FIG. 10, even when the depth of the
図11は、終端領域上のリセスの深さを変化させ、各場合における半導体装置の破壊要因を調べた実験結果であり、終端領域上のリセスの深さと半導体装置の各破壊要因の割合との関係を示している。SiC半導体装置に高電圧を印加したときに発生する破壊の原因としては、終端部の電界集中による破壊の他、主にSiCエピタキシャル層に含まれるキャロット欠陥や三角欠陥などの各種の欠陥に起因する破壊や、製造プロセス中に生じた異物に起因する破壊などがある。 FIG. 11 is a result of an experiment in which the depth of the recess on the termination region is changed and the breakdown factor of the semiconductor device is examined in each case. The relationship between the depth of the recess on the termination region and the ratio of each breakdown factor of the semiconductor device is shown. Showing the relationship. The cause of the breakdown that occurs when a high voltage is applied to the SiC semiconductor device is mainly due to various defects such as carrot defects and triangular defects included in the SiC epitaxial layer, in addition to the breakdown due to the electric field concentration at the terminal portion. There are destruction and destruction caused by foreign matters generated during the manufacturing process.
本実験は、終端領域8上のリセス10の深さを20nmとした本発明に係る炭化珪素ショットキーバリアダイオード(SiC−SBD)に対し、その逆方向I−V(電流−電圧)特性を調べることにより行った。また、比較のため、終端領域8上にリセス10を有さないSiC−SBDと、終端領域8上のリセス10の深さを300nm以上に深くしたSiC−SBDについても同特性を調べた。
In this experiment, the reverse IV (current-voltage) characteristics of a silicon carbide Schottky barrier diode (SiC-SBD) according to the present invention in which the depth of the
図11に示すように、リセス10の深さを300nm以上に深くしたSiC−SBDでは、終端部の電界集中が原因となって破壊したものが30%程度存在した。しかし、リセス10を有さないSiC−SBDならびにリセス10の深さが20nmのSiC−SBDでは、それと同じ原因で破壊したものはなかった。この結果から、本発明のように終端領域8上のリセス10の深さを浅くすると、終端領域8における電界分布はリセス10が無い状態に近くなり、終端部が高耐圧化されることが確認された。
As shown in FIG. 11, in the SiC-SBD in which the depth of the
<実施の形態2>
図12は、本発明の実施の形態2に係る半導体装置の終端構造およびアライメントマークの構成を示す図である。ここでもその一例として、炭化珪素(SiC)半導体を用いて形成したショットキーバリアダイオードの外周部に、終端領域としてガードリングを配設した構成を示す。図12において、図1に示したものと同様の機能を有する要素には、同一符号を付してあるので、ここではそれらの要素についての説明は省略する。<
FIG. 12 is a diagram showing the structure of the termination structure and alignment mark of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. Here, as an example, a configuration in which a guard ring is provided as a termination region on the outer periphery of a Schottky barrier diode formed using a silicon carbide (SiC) semiconductor is shown. In FIG. 12, elements having the same functions as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted here.
実施の形態2に係る半導体装置の構成は、実施の形態1(図1)とほぼ同様であるが、終端領域8上のリセス10およびアライメントマーク9のエッジ部分が、実施の形態1よりも緩やかな傾斜となっている。つまりリセス10およびアライメントマーク9は、上部よりも底部が狭いテーパー状(順テーパー状)となっている。また、終端領域8(不純物領域8a)も、上部よりも底部が狭いテーパー状になっている。この終端領域8の形状により、終端領域8の両端部においては、p型不純物濃度の横方向のプロファイルが、実施の形態1と比べて急峻でないようになっている。
The configuration of the semiconductor device according to the second embodiment is almost the same as that of the first embodiment (FIG. 1), but the edge portions of the
なお、本実施の形態でも、実施の形態1と同様に、アライメントマーク9およびリセス10は非常に浅く形成されており、その深さは、50nm以下、且つ、λ/nmax/6以下(nmaxは製造過程におけるSiCエピタキシャル層2上に形成されるレジスト等の膜の最大の屈折率、λはアライメントマーク9の検出光の波長である)となっている。In the present embodiment, as in the first embodiment, the
この構成によれば、実施の形態1と同様の効果に加え、終端領域8の両端部にけるp型不純物濃度の注入濃度の水平方向のプロファイルが急峻でないことにより、終端領域8の端部での電界集中を抑えられ、終端領域8をさらに高耐圧化できるという効果が得られる。
According to this configuration, in addition to the same effects as in the first embodiment, the horizontal profile of the implantation concentration of the p-type impurity concentration at both ends of the
図13〜図16は、図12に示したショットキーバリアダイオードおよびその終端構造、並びにアライメントマークの形成方法を示す工程図である。以下、これらの図に基づいて、実施の形態2に係る半導体装置の製造方法を説明する。 13 to 16 are process diagrams showing the Schottky barrier diode shown in FIG. 12, its termination structure, and a method of forming an alignment mark. Hereinafter, based on these drawings, a method of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment will be described.
まず、実施の形態1と同様に、n型のSiC基板1を用意し、その上にn型のSiCエピタキシャル層2を成長させる。
First, similarly to the first embodiment, an n-
その後、SiCエピタキシャル層2上に酸化膜(図示せず)を形成した上で、終端領域8を形成するための注入マスクと、アライメントマーク9を形成するためのエッチングマスクを兼ねたレジストパターン11を転写工程により形成する(図13)。つまりレジストパターン11は、終端領域8の形成領域上に位置する開口部12bと、アライメントマーク9の形成領域上に位置する開口部12aとを有する形状となっている。
Thereafter, an oxide film (not shown) is formed on
本実施の形態では、形成したレジストパターン11を加熱したり、エッチングしたりすることにより、図13のようにレジストパターン11の側面に傾斜をつける。開口部12a、12bは、それぞれ上部よりも底部が狭いテーパー状となる。
In the present embodiment, the formed resist
なお、側面が傾斜したレジストパターン11は、その形成の過程で、例えばフォトレジストの露光時に転写装置のフォーカスを大きくずらしたり、解像性の悪いフォトレジストを用いたりして、レジストパターン11の側面の垂直性をわざと悪くすることによっても形成可能である。その場合、レジストパターン11に対する上記の加熱またはエッチングを省略することができる。
The resist
次に、レジストパターン11をマスクに用いるエッチングにより、SiCエピタキシャル層2にアライメントマーク9およびリセス10を形成する(図14)。本実施の形態でも、アライメントマーク9およびリセス10は極浅く形成する。それにより、実施の形態1と同様に、アライメントマーク9の検出精度向上と、終端領域8における電界集中抑制という効果が得られる。
Next,
本実施の形態では、レジストパターン11の側面が傾斜しているので、このエッチング工程の際、レジストパターン11の側面が徐々に後退する。そのため、形成されるアライメントマーク9およびリセス10の側面も傾斜することになり、アライメントマーク9およびリセス10はテーパー状となる。
In this embodiment, since the side surface of the resist
続いて、残存するレジストパターン11をマスクに用いてp型不純物をイオン注入することにより、SiCエピタキシャル層2の上面部分に終端領域8となる不純物領域8aを形成する(図15)。このとき、アライメントマーク9の底部にも終端領域8と同様の不純物領域8aが形成される。p型不純物としては、例えばアルミニウム(Al)が挙げられる。
Subsequently, by using the remaining resist
本実施の形態では、注入マスクであるレジストパターン11の側面が傾斜しているため、当該側面に注入されたp型不純物の一部がSiCエピタキシャル層2まで達する。その結果、終端領域8(不純物領域8a)の形状がテーパー状になり、またその端部において、p型不純物濃度の横方向のプロファイルが緩やかになる。これにより、終端領域8の端部での電界集中が抑制される効果が得られる。
In the present embodiment, since the side surface of resist
その後は実施の形態1と同様に、レジストパターン11を除去し、終端領域8に導入したp型不純物を活性化させるために、SiC基板1およびSiCエピタキシャル層2を1500℃以上の温度に加熱する(図16)。
Thereafter, similarly to the first embodiment, resist
そして、SiC基板1の下面(裏面)にオーミック電極5および裏面電極6を形成し、SiC基板1の上面にショットキー電極3、表面電極4および表面保護膜7を形成することにより、図12に示したショットキーバリアダイオード、および上面にリセス10を有する終端領域8、並びにリセス状のアライメントマーク9が形成される。
Then, the
以上のように、実施の形態2によれば、終端領域8上のリセス10が極めて浅く、且つ、終端領域8の不純物濃度の横方向のプロファイルが急峻でないため、実施の形態1よりもさらに終端領域8での電界集中を抑制でき、高耐圧な終端構造が得られる。また、実施の形態1と同様に、終端領域8を形成する際の注入マスクと、アライメントマーク9を形成する際のエッチングマスクとが、同一のレジストパターン11によって実現されるため、必要なマスク数を減らすことができ、製造コストの削減に寄与できる。さらに、アライメントマーク9も極めて浅く形成されることにより、半導体装置の製造過程でアライメントマーク9を覆う膜が変化しても、マーク検出用回折光41bの強度を高く維持でき、複数回のマスクの位置合わせを常に良好にでき、SiC半導体装置の製造における歩留まりが向上する。
As described above, according to the second embodiment, the
なお、本実施の形態において終端領域8はガードリングであったが、上記の製造工程はFLRの形成にも適用可能である。FLRは、不純物濃度が複数あることを除けば基本的にガードリングと同じ構造である。従って、レジストパターン11の形成工程(図2、図13)おいて、レジストパターン11を複数にすれば、FLRを形成することができる。
In the present embodiment, the
また以上の説明では、半導体素子としてショットキーバリアダイオードを例示したが、本発明はIGBTやMOSFET等の例えばJTEなどの終端構造に対しても適用可能である。 In the above description, the Schottky barrier diode is exemplified as the semiconductor element. However, the present invention can also be applied to a termination structure such as IGBT or MOSFET, for example, JTE.
さらに、本発明の適用は、炭化珪素(SiC)を用いて形成する半導体装置に限られるものではなく、不純物が拡散しにくい性質を持つ半導体材料を用いる半導体装置の製造にも適用可能である。例えばSiCと並んでワイドバンドギャップ半導体として知られるGaNも不純物が拡散しにくい性質がある。本発明を、GaNを用いて形成する半導体装置に対しても、上記と同様の効果が得られる。 Furthermore, the application of the present invention is not limited to a semiconductor device formed using silicon carbide (SiC), but can also be applied to the manufacture of a semiconductor device using a semiconductor material having a property that impurities are difficult to diffuse. For example, GaN, which is known as a wide band gap semiconductor along with SiC, has a property that impurities are difficult to diffuse. The same effect as described above can also be obtained for a semiconductor device in which the present invention is formed using GaN.
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。 It should be noted that the present invention can be freely combined with each other within the scope of the invention, and each embodiment can be appropriately modified or omitted.
この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。 Although the present invention has been described in detail, the above description is illustrative in all aspects, and the present invention is not limited thereto. It is understood that countless variations that are not illustrated can be envisaged without departing from the scope of the present invention.
1 SiC基板、2 SiCエピタキシャル層、3 ショットキー電極、4 表面電極、5 オーミック電極、6 裏面電極、7 表面保護膜、8 終端領域、8a 不純物領域、9 アライメントマーク、11 レジストパターン、40 マーク検出用照射光、41 反射光、41a 回折光、41b マーク検出用回折光。 1 SiC substrate, 2 SiC epitaxial layer, 3 Schottky electrode, 4 surface electrode, 5 ohmic electrode, 6 back electrode, 7 surface protective film, 8 termination region, 8a impurity region, 9 alignment mark, 11 resist pattern, 40 mark detection Irradiation light, 41 reflected light, 41a diffracted light, 41b diffracted light for mark detection.
Claims (4)
(b)前記レジストパターンをマスクとするエッチングにより、前記第1の開口部の下の炭化珪素半導体層に深さ50nm以下のリセスを、前記第2の開口部の下の炭化珪素半導体層に深さ50nm以下のアライメントマークをそれぞれ形成する工程と、
(c)前記工程(b)の後に、前記レジストパターンをマスクにして不純物をイオン注入することにより、前記リセスの下に終端領域を形成する工程と、
(d)前記炭化珪素半導体層にマーク検出用照射光を照射し、前記マーク検出用照射光が前記アライメントマークのエッジ部分で反射した反射光であり、当該エッジ部分以外での反射光の方向とは異なる特定の光学経路へ進入するマーク検出用回折光を検出することによって、前記アライメントマークを検出する工程と
を備え、
前記工程(d)の際に前記アライメントマーク上に形成されている膜の屈折率の最大値をnmax、前記アライメントマークの検出のために前記炭化珪素半導体層に照射する前記マーク検出用照射光の波長をλとすると、
前記アライメントマークの深さは、λ/nmax/6以下である
ことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。 (A) forming a resist pattern having a first opening and a second opening on the silicon carbide semiconductor layer over a region serving as a terminal portion of the semiconductor element;
(B) By etching using the resist pattern as a mask, a recess having a depth of 50 nm or less is formed in the silicon carbide semiconductor layer under the first opening, and a recess is formed in the silicon carbide semiconductor layer under the second opening. Forming an alignment mark having a thickness of 50 nm or less,
(C) after the step (b), forming a termination region under the recess by ion-implanting impurities using the resist pattern as a mask;
(D) The silicon carbide semiconductor layer is irradiated with mark detection irradiation light, and the mark detection irradiation light is reflected light reflected at an edge portion of the alignment mark, and the direction of reflected light other than the edge portion Detecting the alignment mark by detecting diffracted light for mark detection entering a different specific optical path; and
With
In the step (d) , the maximum refractive index of the film formed on the alignment mark is n max , and the silicon carbide semiconductor layer is irradiated with the mark detection irradiation light for detecting the alignment mark Where λ is the wavelength of
The depth of the alignment mark, the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device, characterized in that at λ / n max / 6 or less.
請求項1記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein a depth of the alignment mark is equal to a depth of the recess formed on an outer periphery of the semiconductor element.
請求項1または請求項2記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the depth of the recess is deeper than 5 nm.
請求項1から請求項3のいずれか一項記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 4. The method of manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, wherein the recess and the alignment mark have a tapered shape with a bottom portion narrower than an upper portion. 5.
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