JP2010040899A - Semiconductor device and its production process - Google Patents
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Abstract
【課題】電流集中によるオン抵抗を緩和できる半導体装置を提供する。
【解決手段】炭化硅素からなる第1導電型の半導体基板10と、その主面10a上に形成された炭化硅素エピタキシャル層20と、炭化硅素エピタキシャル層20の一部に形成された第2導電型のウェル領域22と、第1導電型のソース領域24とを備え、炭化硅素エピタキシャル層20とウェル領域22とソース領域24との上には、チャネルエピタキシャル層30が形成されており、チャネルエピタキシャル層30のうちウェル領域22上に位置する部位は、チャネル領域40として機能し、ソース領域24の上に形成されたソース電極28は、チャネルエピタキシャル層30の側面および上面の一部を覆っている、半導体装置100である。
【選択図】図1A semiconductor device capable of reducing on-resistance due to current concentration is provided.
A first conductivity type semiconductor substrate made of silicon carbide, a silicon carbide epitaxial layer formed on a main surface of the semiconductor substrate, and a second conductivity type formed on a part of the silicon carbide epitaxial layer. A well region 22 and a source region 24 of the first conductivity type, and a channel epitaxial layer 30 is formed on the silicon carbide epitaxial layer 20, the well region 22 and the source region 24. 30, the portion located on the well region 22 functions as the channel region 40, and the source electrode 28 formed on the source region 24 covers part of the side surface and the upper surface of the channel epitaxial layer 30. This is a semiconductor device 100.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。特に、高耐圧、大電流用に使用される、炭化硅素からなるパワー半導体デバイスに関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof. In particular, the present invention relates to a power semiconductor device made of silicon carbide used for high breakdown voltage and large current.
パワー半導体デバイスは、高耐圧で大電流を流す用途に用いられる半導体素子であり、低損失であることが望まれている。従来は、シリコン(Si)基板を用いたパワー半導体デバイスが主流であったが、近年、炭化硅素(SiC)基板を用いたパワー半導体デバイスが注目され、開発が進められている(例えば、特許文献1〜4など参照)。 A power semiconductor device is a semiconductor element that is used for a purpose of flowing a large current with a high breakdown voltage, and is desired to have a low loss. Conventionally, power semiconductor devices using silicon (Si) substrates have been mainstream, but in recent years, power semiconductor devices using silicon carbide (SiC) substrates have attracted attention and are being developed (for example, patent documents). 1-4).
炭化硅素(SiC)は、シリコン(Si)に比べて材料自体の絶縁破壊電圧が一桁高いので、pn接合部やショットキー接合部における空乏層を薄くしても逆耐圧を維持することができるという特徴を持っている。そこで、SiCを用いると、デバイスの厚さを薄くすることができ、また、ドーピング濃度を高めることができるので、SiCは、オン抵抗が低く、高耐圧で低損失のパワー半導体デバイスを形成するための材料として期待されている。 Since silicon carbide (SiC) has a dielectric breakdown voltage that is an order of magnitude higher than that of silicon (Si), the reverse breakdown voltage can be maintained even if the depletion layer at the pn junction or the Schottky junction is thinned. It has the characteristics. Therefore, when SiC is used, the thickness of the device can be reduced and the doping concentration can be increased, so that SiC forms a power semiconductor device with low on-resistance, high withstand voltage, and low loss. Is expected as a material.
特許文献1には、チャネル移動度を向上させてオン抵抗を向上することができる炭化硅素半導体装置が開示されている。この特許文献1に開示された炭化硅素半導体装置を図25に示す。 Patent Document 1 discloses a silicon carbide semiconductor device that can improve the on-resistance by improving the channel mobility. The silicon carbide semiconductor device disclosed in Patent Document 1 is shown in FIG.
図29に示した炭化硅素半導体装置1000は、nタイプのプレーナ型MOSFET(縦型パワーMOSFET)であり、n+型SiC基板101を備えている。n+型SiC基板101の主表面上には、n−型SiCエピ層102が形成され、そして、n−型SiCエピ層102の表層部の所定領域において所定深さを有するp型SiCベース層103a,103bが形成されている。ベース層103a,103bの表層部においてソース領域104a,104bとn−型SiCエピ層102とを繋ぐように表面チャネルエピ層105が配置されている。
A silicon
表面チャネルエピ層105の表面には、ゲート酸化膜107を介してゲート電極108が形成されている。ゲート電極108は絶縁層109に覆われており、そして、その上には、ベース領域103a,103bおよびソース領域104a,104bに接触するようにソース電極110が形成されている。さらに、SiC基板101の裏面にはドレイン電極111が形成されている。
A
図29に示した半導体装置1000では、ゲート電極108に電圧を印加して、ゲート絶縁膜107に電界を与えることにより、表面チャネル層105に蓄積型チャネルを誘起させて、ゲート電極108とドレイン電極111との間にキャリアが流れる。なお、表面チャネル層105における領域140がチャネル領域である。
In the
このように、MOSFET動作モードを、チャネル形成層の導電型を反転させることなくチャネルを誘起する蓄積モードとすることで、導電型を反転させてチャネルを誘起する反転モードのMOSFETに比べ、チャネル移動度を大きくしてオン抵抗を向上させることができる。
上述した半導体装置1000によれば、表面チャネルエピ層105を形成した構造にすることによって、チャネル移動度を向上させてオン抵抗を向上することができる。しかしながら、本願発明者が検討したところ、表面チャネルエピ層105の一部の近傍に電流が集中する可能性があり、そして、その電流集中によって、オン抵抗の特性向上の効果が阻害される場合があり得ることが見い出された。
According to the
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、電流集中によるオン抵抗の上昇を緩和できる半導体装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a point, and a main object thereof is to provide a semiconductor device capable of mitigating an increase in on-resistance due to current concentration.
本発明に係る半導体装置は、主面および当該主面の反対面である裏面を有し、炭化硅素からなる第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板の主面上に形成され、当該半導体基板よりも低いドーパント濃度を有する第1導電型の炭化硅素エピタキシャル層と、前記炭化硅素エピタキシャル層の一部に形成された第2導電型のウェル領域と、前記ウェル領域の一部に形成された第1導電型のソース領域とを備え、前記炭化硅素エピタキシャル層と前記ウェル領域と前記ソース領域との上には、炭化硅素からなるチャネルエピタキシャル層が形成されており、前記チャネルエピタキシャル層のうち前記ウェル領域上に位置する部位は、チャネル領域として機能し、前記ソース領域の上には、ソース電極が形成されており、前記ソース電極は、前記チャネルエピタキシャル層の少なくとも側面を覆っている。 A semiconductor device according to the present invention has a main surface and a back surface opposite to the main surface, and is formed on a first conductivity type semiconductor substrate made of silicon carbide, and the main surface of the semiconductor substrate. A first conductivity type silicon carbide epitaxial layer having a dopant concentration lower than that of the substrate; a second conductivity type well region formed in a part of the silicon carbide epitaxial layer; and a part of the well region. A channel region made of silicon carbide is formed on the silicon carbide epitaxial layer, the well region, and the source region, and the channel epitaxial layer includes a source region of a first conductivity type. A portion located on the well region functions as a channel region, a source electrode is formed on the source region, and the source electrode It covers at least the side surface of the catcher channel epitaxial layer.
ある好適な実施形態において、前記チャネルエピタキシャル層の側面に加えて上面の一部を覆っている。 In a preferred embodiment, a part of the upper surface is covered in addition to the side surface of the channel epitaxial layer.
ある好適な実施形態において、前記チャネルエピタキシャル層の中には、少なくとも一層のデルタドープ層が形成されている。 In a preferred embodiment, at least one delta doped layer is formed in the channel epitaxial layer.
ある好適な実施形態において、前記チャネルエピタキシャル層のうち前記ソース領域上に位置する第1部位と前記炭化硅素エピタキシャル層上に位置する第2部位との両方に、前記第1導電型のドーパントが注入されている。 In a preferred embodiment, the dopant of the first conductivity type is implanted into both a first part located on the source region and a second part located on the silicon carbide epitaxial layer in the channel epitaxial layer. Has been.
ある好適な実施形態において、前記チャネルエピタキシャル層の側面は、テーパー形状に形成されている。 In a preferred embodiment, the side surface of the channel epitaxial layer is formed in a tapered shape.
ある好適な実施形態において、前記チャネルエピタキシャル層の上には、ゲート酸化膜が形成されており、前記ゲート酸化膜の上には、ゲート電極が形成されており、前記半導体基板の裏面には、ドレイン電極が形成されている。 In a preferred embodiment, a gate oxide film is formed on the channel epitaxial layer, a gate electrode is formed on the gate oxide film, and on the back surface of the semiconductor substrate, A drain electrode is formed.
ある好適な実施形態において、前記第1導電型のドーパントが注入された前記第1部位および前記第2部位の上方に位置する前記ゲート酸化膜の厚さが、前記チャネル領域の上方に位置する前記ゲート酸化膜の厚さよりも厚い。 In a preferred embodiment, a thickness of the gate oxide film located above the first part and the second part into which the dopant of the first conductivity type is implanted has a thickness above the channel region. It is thicker than the gate oxide film.
ある好適な実施形態において、前記炭化硅素エピタキシャル層の表面部のうち、前記ウェル領域の間に挟まれた領域は、JFET領域として機能する。 In a preferred embodiment, a region sandwiched between the well regions in the surface portion of the silicon carbide epitaxial layer functions as a JFET region.
ある好適な実施形態において、前記JFET領域には第1導電型のドーパントが注入されており、かつ前記JFET領域の第1導電型のドーパントの濃度は、前記ウェル領域に含まれる第2導電型のドーパントの濃度よりも小さく、前記炭化珪素エピタキシャル層のドーパントの濃度よりも大きい。 In a preferred embodiment, a dopant of a first conductivity type is implanted into the JFET region, and a concentration of the first conductivity type dopant in the JFET region is a second conductivity type included in the well region. It is smaller than the dopant concentration and larger than the dopant concentration of the silicon carbide epitaxial layer.
ある好適な実施形態において、前記炭化硅素エピタキシャル層と前記ウェル領域と前記ソース領域との上面は、同一平面上に位置している。 In a preferred embodiment, upper surfaces of the silicon carbide epitaxial layer, the well region, and the source region are located on the same plane.
本発明に係る半導体装置の製造方法は、炭化硅素からなる第1導電型の半導体基板の主面上に、当該半導体基板よりも低いドーパント濃度を有する第1導電型の炭化硅素エピタキシャル層を形成する工程(a)と、前記炭化硅素エピタキシャル層の一部に、第2導電型のウェル領域を形成する工程(b)と、前記ウェル領域の一部に第1導電型のソース領域を形成する工程(c)と、前記炭化硅素エピタキシャル層と前記ウェル領域と前記ソース領域との上に、炭化硅素からなるチャネルエピタキシャル層を形成する工程(d)と、前記ソース領域の上に、ソース電極を形成する工程(e)と、を含み、前記工程(e)において、前記ソース電極は、前記チャネルエピタキシャル層の少なくとも側面を覆うように形成される。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a first conductivity type silicon carbide epitaxial layer having a dopant concentration lower than that of the semiconductor substrate is formed on the main surface of the first conductivity type semiconductor substrate made of silicon carbide. A step (a), a step (b) of forming a second conductivity type well region in a part of the silicon carbide epitaxial layer, and a step of forming a first conductivity type source region in a part of the well region. (C), a step (d) of forming a channel epitaxial layer made of silicon carbide on the silicon carbide epitaxial layer, the well region, and the source region; and forming a source electrode on the source region. And in the step (e), the source electrode is formed so as to cover at least a side surface of the channel epitaxial layer.
ある好適な実施形態において、前記工程(e)において、前記ソース電極は、前記チャネルエピタキシャル層の側面に加えて上面の一部を覆うように形成される。 In a preferred embodiment, in the step (e), the source electrode is formed so as to cover a part of the upper surface in addition to the side surface of the channel epitaxial layer.
ある好適な実施形態において、前記工程(e)は、前記チャネルエピタキシャル層の上に、ゲート酸化膜を形成する工程と、前記ゲート酸化膜の上に、ゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極と前記ゲート酸化膜と前記チャネルエピタキシャル層を覆うように、前記ソース領域が形成された前記半導体基板の主面上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜をエッチングすることによって、前記層間絶縁膜から前記チャネルエピタキシャル層の端部を露出させる工程と、露出した前記チャネルエピタキシャル層の端部と前記層間絶縁膜と前記炭化珪素エピタキシャル層とを覆うように金属膜を形成する工程と、前記金属膜を加熱処理する工程と、を含む。 In a preferred embodiment, the step (e) includes a step of forming a gate oxide film on the channel epitaxial layer, a step of forming a gate electrode on the gate oxide film, and the gate electrode. Forming an interlayer insulating film on the main surface of the semiconductor substrate on which the source region is formed so as to cover the gate oxide film and the channel epitaxial layer, and etching the interlayer insulating film, Exposing the end of the channel epitaxial layer from the interlayer insulating film, forming a metal film so as to cover the exposed end of the channel epitaxial layer, the interlayer insulating film, and the silicon carbide epitaxial layer; Heat-treating the metal film.
本発明によると、炭化硅素エピタキシャル層とウェル領域とソース領域との上に、炭化硅素からなるチャネルエピタキシャル層が形成され、そのチャネルエピタキシャル層の側面および上面の一部をソース電極が覆っているので、ソース領域におけるウェル領域との境界近傍、及び/又は、炭化硅素エピタキシャル層におけるウェル領域との境界近傍での電流集中を緩和することができ、その結果、電流集中によるオン抵抗の上昇を緩和できる半導体装置(炭化硅素からなるパワー半導体デバイス)を実現することができる。 According to the present invention, the channel epitaxial layer made of silicon carbide is formed on the silicon carbide epitaxial layer, the well region, and the source region, and the source electrode covers a part of the side surface and the upper surface of the channel epitaxial layer. , Current concentration near the boundary with the well region in the source region and / or near the boundary with the well region in the silicon carbide epitaxial layer can be reduced, and as a result, an increase in on-resistance due to current concentration can be reduced. A semiconductor device (a power semiconductor device made of silicon carbide) can be realized.
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, components having substantially the same function are denoted by the same reference numerals for the sake of brevity. In addition, this invention is not limited to the following embodiment.
図1は、本発明の実施形態に係る半導体装置100の断面構成を模式的に示している。図1に示した本実施形態の半導体装置100は、炭化硅素(SiC)からなる第1導電型の半導体基板(SiC基板)10と、半導体基板10よりも低いドーパント濃度を有する第1導電型の炭化硅素エピタキシャル層20と、炭化硅素エピタキシャル層20の一部に形成された第2導電型のウェル領域22と、ウェル領域22の一部に形成された第1導電型のソース領域24とを備えている。半導体基板(SiC基板)10は、主面10aおよびその主面10aの反対面である裏面10bとを有しており、炭化硅素エピタキシャル層20は、半導体基板10の主面10a上に形成されている。
FIG. 1 schematically shows a cross-sectional configuration of a
また、炭化硅素エピタキシャル層20とウェル領域22とソース領域24との上には、炭化硅素からなるチャネルエピタキシャル層30が形成されている。なお、本実施形態において「エピタキシャル層」は、「エピ層」と称することもあり、炭化硅素エピタキシャル層20は「ドリフトエピ層20」と称し、一方、チャネルエピタキシャル層30は「チャネルエピ層30」と称する場合もある。
A channel
さらに、チャネルエピ層30のうちウェル領域22上に位置する部位は、チャネル領域40として機能する。また、ドリフトエピ層20の表面部のうち、ウェル領域22の間に挟まれた領域は、JFET(Junction Field−Effect Transistor)領域60として機能することになる。
Further, a portion of the
本実施形態の一例においては第1導電型はn型であり、図1に示した例では、半導体基板10はn型SiC半導体基板(n+SiC基板)であり、ドリフトエピ層20はn−SiC層である。また、ウェル領域22はp−層であり、ソース領域24はn++層である。
In the example of this embodiment, the first conductivity type is n-type. In the example shown in FIG. 1, the
なお、「+」、「++」、「−」などは、n型またはp型の相対的なドーパントの濃度を表記した符号であり、この例では、n+SiC基板10よりも、n−ドリフトエピ層20の方がn型のドーパントの濃度が低い。そして、n+SiC基板10よりも、n++ソース領域24の方がn型のドーパントの濃度が高い。
Note that “+”, “++”, “−”, and the like are symbols representing the n-type or p-type relative dopant concentration. In this example, the n− drift epi layer is more than the n +
チャネルエピ層30の上には、ゲート酸化膜42が形成されており、ゲート酸化膜42の上には、ゲート電極44が形成されている。また、ソース領域24の上には、ソース電極28が形成されている。本実施形態の構成においては、ソース電極28は、コンタクト領域(p+層)26を介して、ウェル領域(p−層)22に接続されている。さらに、SiC基板10の裏面10bには、ドレイン電極50が形成されている。
A
本実施形態の構成においては、ソース電極28は、チャネルエピ層30の少なくとも側面を覆っている。図示した例では、ソース電極28は、ソース領域24及びp+層26に接触する部位28aと、チャネルエピ層30の側面を覆う部位28bと、チャネルエピ層30の上面の一部を覆う部位28cとを有している。そして、このソース電極28(28a、28b、28c)の構造により、ソース電極28の一部(28b、28c)がチャネルエピ層30に直接コンタクトすることができるので、電流経路が多くなり、その結果、オン抵抗を低下させることができる。なお、オン抵抗を低下できる効果についての詳細は後述する。
In the configuration of the present embodiment, the
本実施形態の半導体装置100は、SiCからなるパワー半導体デバイスであり、高耐圧、大電流用に好適に使用される。本実施形態の構成の条件を例示的に説明すると次の通りである。
The
n+SiC基板10は、六方晶系炭化硅素からなる。n+SiC基板10の厚さは、例えば、250〜350μmであり、n+SiC基板10の濃度は、例えば、8×1018cm−3である。なお、n+SiC基板10の場合、立方晶系炭化硅素からなる基板を用いることもできる。
The n +
ドリフトエピ層20は、SiC基板10の主面10a上にエピタキシャル形成されたSiC層である。ドリフトエピ層20の厚さは、例えば、4〜15μmであり、n+SiC基板10の濃度は、例えば、5×1015cm-3である。なお、n+SiC基板10とドリフトエピ層20の間に、更なるSiCエピ層(例えば、6×1016cm-3の濃度を有するSiCエピ層)を設けてもよい。
ウェル領域22の厚さ(即ち、ドリフトエピ層20の上面からの深さ)は、例えば、0.5〜1.0μmであり、ウェル領域22の濃度は、例えば、1.5×1018cm-3である。また、ソース領域24の厚さ(即ち、ドリフトエピ層20の上面からの深さ)は、例えば、0.25μmであり、ソース領域24の濃度は、例えば、5×1019cm-3である。そして、p+層26の厚さは、例えば、0.3μmであり、p+層26の濃度は、例えば、2×1020cm-3である。ウェル領域22間にて規定されるJFET領域60の長さ(幅)は、例えば、3μmである。
The thickness of the well region 22 (that is, the depth from the upper surface of the drift epitaxial layer 20) is, for example, 0.5 to 1.0 μm, and the concentration of the
チャネルエピ層30は、ドリフトエピ層20上にエピタキシャル形成されたSiC層であり、チャネルエピ層30の厚さは、例えば、30nm〜150nmである。チャネル領域40の長さ(幅)は、例えば、0.5μmである。また、ゲート酸化膜42は、SiO2(酸化シリコン)からなり、その厚さは、例えば、70nmである。ゲート電極44は、poly−Si(ポリシリコン)からなり、その厚さは、例えば、500nmである。
The
さらに、ソース電極28はTi(チタン)とSi(シリコン)との合金からなり、その厚さは、例えば、50nmである。ソース電極28は、Ni(ニッケル)とSi(シリコン)との合金からなっていてもよい。また、ドレイン電極50もTi(チタン)とSi(シリコン)との合金からなり、その厚さは、例えば、100nmである。なお、ドレイン電極50には、SiCチップをプラスチックパッケージに実装する際のはんだ付けを容易にするために、NiとAgやNiとAuを堆積することもある。
Furthermore, the
本実施形態の半導体装置100の構成によれば、ドリフトエピ層20とウェル領域22とソース領域24との上にチャネルエピ層30が形成され、そのチャネルエピ層30の側面および上面の一部をソース電極28が覆っている。これにより、ソース領域24におけるウェル領域22との境界近傍、及び/又は、ドリフトエピ層20におけるウェル領域22との境界近傍での電流集中を緩和することができ、その結果、電流集中によるオン抵抗の上昇と特性劣化を緩和することが可能となる。
According to the configuration of the
次に、図2を参照しながら、本実施形態の構成が解決しようとする電流集中によるオン抵抗の特性劣化の問題について説明する。 Next, with reference to FIG. 2, the problem of deterioration in on-resistance characteristics due to current concentration, which is to be solved by the configuration of this embodiment, will be described.
図2は、本実施形態の構成100に対する比較例200の断面図であり、図2に示した比較例200では、ソース電極28は、チャネルエピ層30の側面を覆っておらず、この点で本実施形態の構成100と異なる。
FIG. 2 is a cross-sectional view of a comparative example 200 for the
本願発明者の検討によると、比較例200の構成において次のような現象が起こり得ることが見い出された。 According to the study of the present inventor, it has been found that the following phenomenon can occur in the configuration of the comparative example 200.
まず、縦型MOSFETの動作について説明すると、ソース電極28には0V、ドレイン電極50には外部抵抗(図示せず)を介して数百Vから数kVの電圧が印加されている。ゲート電極44に閾値(Vth)以下の電圧(例えば、0V)を印加するオフ状態では、ウェル領域22とドリフト間に空乏層が広がっており、JFET領域60ではウェル領域22の両側から延びる空乏層が繋がっている。
First, the operation of the vertical MOSFET will be described. A voltage of several hundred volts to several kilovolts is applied to the
次に、ゲート電極44に閾値(Vth)より高い電圧(例えば20V)を印加した場合は、ゲート絶縁膜42を介してチャネル領域40のチャネルエピ層30に電子が流れ込む。このとき、ウェル領域22とドリフト(ドリフトエピ層20)との間で形成されるにも電流の一部が流れ込むために、ウェル領域22の電位がソース電位に近づき、空乏層が縮小することによってJFET領域60の電流経路が形成され、オン状態となる。このときドレイン電圧は外部抵抗の電圧降下により1ないし2V程度となるように外部抵抗が選択される。
Next, when a voltage (for example, 20 V) higher than the threshold value (Vth) is applied to the
比較例200において、チャネルエピ層30のチャネル領域40を流れる電子は、ゲート電極44の影響により、矢印96のようにチャネルエピ層30とゲート酸化膜42との界面を流れる傾向がある。すると、チャネルエピ層30を垂直に流れる電子95が生じ、この垂直方向の抵抗が加算されることになり、結果として、オン抵抗の上昇につながる。なお、MOS部分の閾値(Vth)を0Vよりも高くし、ノーマリーオフ状態を実現するためにはチャネルエピ層30の濃度を薄くすることが必要であり、電子95の経路における抵抗が高くなる。
In the comparative example 200, electrons flowing through the
加えて、このようなチャネルエピ層30の電子の流れは、ソース領域24におけるウェル領域22との境界近傍(98)での電流集中をもたらし、そして、ドリフトエピ層20におけるウェル領域22との境界近傍(99)での電流集中ももたらし得る。この電流集中によって抵抗が高くなり、結果として、オン抵抗の上昇と、特性劣化につながる。
In addition, the flow of electrons in the
さらに追加して説明すると、電子は、できるだけ抵抗の低い領域を通ろうとするので、なるべくソース領域(n++層)24を流れ、次いで、垂直方向へ向かうため、領域98にて電流集中が生じる。同様に、JFET領域60へ向かう電子においても、領域99にて電流集中が発生する傾向が強くなる。このような現象により、オン抵抗の上昇と特性劣化が生じ得る。
In addition, since electrons try to pass through the region having the lowest resistance as much as possible, the electrons flow through the source region (n ++ layer) 24 as much as possible, and then move in the vertical direction, causing current concentration in the
一方、本実施形態の構成100の場合、図3に示すように、ソース電極28がチャネルエピ層30の側面(および上面の一部)を覆っているため、図2中の領域98での電流集中を回避することができる。つまり、ソース電極28(28b)がチャネルエピ層30の側面を覆っているので、矢印91に示すように電流経路が増え、その結果、オン抵抗の上昇を抑制することができる。また、電流経路が増えた結果、電子は、チャネルエピ層30において矢印92に示すようにJFET領域60へ向かいやすくなる。したがって、図2中の領域99での電流集中を回避することが可能となる。
On the other hand, in the
このように、本実施形態の構成100によれば、ソース電極28がチャネルエピ層30の側面を覆うように形成されているので、電流集中によるオン抵抗の特性劣化を緩和することができる。なお、ソース電極28は、チャネルエピ層30の側面を覆う部位28bを設けるだけでも効果(電流集中を緩和する効果)はあるが、それに加えて、図示した例のようにチャネルエピ層30の上面も覆う部位28cも設けた方が、電流経路もさらに増え、また、ソース電極28からJFET領域60への距離も近くなるので好ましい。
As described above, according to the
次に、図4から図11を参照しながら、本実施形態の半導体装置100の製造方法について説明する。図4から図11は、本実施形態の製造方法を説明するための工程断面図である。
Next, a method for manufacturing the
まず、n+SiC基板10として、n型4H−SiC(0001)基板を用意する。この基板は、例えば、<11−20>方向に8°または4°オフカットされ、n型ドーピング濃度が1×1018cm−3〜5×1019cm−3の基板である。
First, an n-type 4H—SiC (0001) substrate is prepared as the n +
次いで、図4(a)に示すように、n+SiC基板10の主面10a上に、エピタキシャル成長によってn−ドリフトエピ層20を形成する。エピタキシャル条件は原料ガスとして、例えば、シラン(SiH4)とプロパン(C3H8)を、キャリアガスとして水素(H2)を、ドーパントガスとして窒素(N2)ガスを用いて熱CVDを行うことにより、1×1015cm−3〜1×1016cm−3の濃度で、厚さとして10μm以上を堆積する。
Next, as shown in FIG. 4A, an n − drift
次に、図4(b)に示すように、n−ドリフトエピ層20の上に、注入マスク70を堆積し、その注入マスク70の上にフォトレジスト72を形成する。注入マスク70は、例えば、SiO2(酸化シリコン)である。酸化シリコンからなる注入マスク70は、例えば、シラン(SiH4)とN2Oを用いて、200WのパワーにてプラズマCVDを実行することによって形成される。注入マスク70の厚さは、例えば、0.5〜1.0μmである。フォトレジスト72は、ウェル領域(p−層22)およびJFET領域60を規定する位置および寸法を有している。フォトレジスト72は、例えば、感光性有機膜であり、典型的なフォトリソグラフィー法を用いて形成される。フォトレジスト72の厚さは、例えば、1.5〜2.0μmである。
Next, as shown in FIG. 4B, an
次に、フォトレジスト72をマスクとして、注入マスク70をエッチングして、注入マスクパターン70Aを形成し、その後、フォトレジスト72を除去する。注入マスク70のエッチングは、例えば、CF4ガスとCHF3ガスを用いた異方性ドライエッチング法によって実行し、フォトレジスト72の除去は、例えば、酸素プラズマによるアッシングを用いて行えばよい。
Next, using the
次いで、図5(a)に示すように、注入マスクパターン70Aをマスクとして、Al+(アルミニウムイオン)をイオン注入(矢印80)することによって、n−ドリフトエピ層20の表面に、所定の深さを有するウェル領域(p−)22を形成する。イオン注入の条件は、例えば、エネルギーを30keVから350keVの間で複数に分け行い、その際の基板の温度は、例えば500℃である。ウェル領域22の深さは、例えば、0.5〜1.0μmである。ウェル領域22間によって規定される、n−ドリフトエピ層20の表面部がJFET領域60となる。本実施形態のJFET領域60の幅は、例えば、3μmである。
Next, as shown in FIG. 5A, Al + (aluminum ions) are ion-implanted (arrow 80) using the
次に、図5(b)に示すように、注入マスクパターン70Aを覆うように、基板10の表面上に(より詳細には、ウェル領域22上に)注入マスク71を堆積し、その後、注入マスク71の上に、フォトレジスト72Aを形成する。注入マスク71は、例えば、poly−Si(ポリシリコン)であり、熱CVDにより、原料ガスとしてSiH4を用いて堆積することによって形成される。注入マスク71の厚さは、例えば、0.5〜1.0μmである。フォトレジスト72Aは、ソース領域24を規定するために設けられる。
Next, as shown in FIG. 5B, an
次に、図6(a)に示すように、フォトレジスト72Aをマスクとして、注入マスク71をエッチングすることによって、注入マスクパターン71Aを形成する。図示した注入マスクパターン71Aの一方は、フォトレジスト72Aの下方にあるパターンであり、もう一方は、注入マスクパターン70Aに隣接するサイドウォールのパターンである。このエッチングは、例えば、Cl2、O2、HBrの混合ガスを用いた異方性エッチングすることによって実行される。
Next, as shown in FIG. 6A, the
次に、図6(b)に示すように、注入マスクパターン70A及び71Aをマスクとして、ウェル領域(p−)22の表面に、N+(窒素イオン)またはP+(リンイオン)をイオン注入(矢印82)することによって、ソース領域(n++)24を形成する。イオン注入の条件は、例えば、エネルギーを30keVから90keVの間で複数に分け行い、その際の基板の温度は例えば500℃である。ソース領域24の深さは、例えば、0.25μmである。
Next, as shown in FIG. 6B, N + (nitrogen ions) or P + (phosphorus ions) are ion-implanted into the surface of the well region (p−) 22 using the
次に、図7(a)に示すように、注入マスクパターン70A及び71Aを除去した後、注入マスク72を形成し、次いで、その注入マスク72の上にフォトレジスト73Aを形成する。注入マスクパターン70A及び71Aの除去は、例えば、酸化膜はHF水溶液で、ポリシリコンはHFとHNO3およびH2O混合液でウエットエッチングすることによって実行する。注入マスク72は、例えば、SiO2(酸化シリコン)である。フォトレジスト73Aは、p+層26を規定するために設けられる。
Next, as shown in FIG. 7A, after removing the
次に、図7(b)に示すように、フォトレジスト73Aをマスクとして、注入マスク72をエッチングすることによって、注入マスクパターン72Aを形成する。次いで、フォトレジスト73Aを除去した後、注入マスクパターン72Aをマスクとして、ウェル領域(p−)22の表面に、Al+(アルミニウムイオン)またはB+(ボロンイオン)をイオン注入(矢印84)することによって、p+層26を形成する。イオン注入の条件は、例えば、エネルギーを30keVから150keVの間で複数に分け行い、その際の基板の温度は例えば500℃である。p+層26の深さは、ソース領域(n++)24の深さよりも深く、例えば、0.3μmである。
Next, as shown in FIG. 7B, an
次に、図8(a)に示すように、注入マスクパターン72Aを除去した後、基板10のの両面にキャップ膜90を形成する。より詳細には、ドリフトエピ層20とウェル領域22とソース領域24とp+領域26を含む上面、および、SiC基板10の裏面10bにキャップ膜90を形成する。キャップ膜90は、例えば、炭素から構成されており、スパッタ法により、主面と反対面を別々に堆積する。キャップ膜90を形成した後は、基板10(より正確には、各層(20、22、24、26)が形成された基板10)を1000℃以上、ここでは1800℃の温度で活性化アニールする。なお、キャップ膜90なしで、SiH4雰囲気下でのアニールを行うことも可能である。
Next, as shown in FIG. 8A, after removing the
次に、図8(b)に示すように、両面キャップ膜90を除去した後、チャネルエピ層30をエピタキシャル成長させて形成する。両面キャップ膜90の除去は、例えば、酸素プラズマによるアッシング法を用いて行う。本実施形態におけるチャネルエピ層30は、SiCからなる層(エピ層)であり、そのエピタキシャル成長の条件は、例えば、原料ガスとして例えば、シラン(SiH4)とプロパン(C3H8)を、キャリアガスとして水素(H2)を、ドーパントガスとして窒素(N2)ガスを用いて熱CVDを行うことにより、1×1015cm−3〜5×1015cm−3の濃度で、厚さとして30〜150nmを堆積する。なお、エピタキシャル成長の途中で窒素(N2)ガスを導入して、チャネルエピ層の一部を高濃度にしても構わない。
Next, as shown in FIG. 8B, after the double-
次に、図9(a)に示すように、チャネルエピ層30の上に、フォトレジスト75Aを形成した後、フォトレジスト75Aをマスクとして、チャネルエピ層30をエッチングする。チャネルエピ層30のエッチングは、例えば、CF4とO2の混合ガスを用いたドライエッチングによって行われる。
Next, as shown in FIG. 9A, after forming a
次に、図9(b)に示すように、フォトレジスト75Aを除去した後、チャネルエピ層30の上にゲート酸化膜(SiO2)42を形成し、次いで、ゲート酸化膜42の上にゲート電極(poly−Si)44を形成する。その後、そのゲート電極44の上に、フォトレジスト(不図示)を形成し、ゲート電極44をエッチングして、当該フォトレジストを除去する。
Next, as shown in FIG. 9B, after removing the
次に、図10(a)に示すように、ゲート電極44およびチャネルエピ層30を覆うように基板(10、20)の上に層間絶縁膜52を形成する。層間絶縁膜52は、例えば酸化シリコン(SiO2)からなり、その厚さは例えば1000nmである。次いで、層間絶縁膜52の上にフォトレジスト53を形成する。このフォトレジスト53は、ソースコンタクトおよびボディーコンタクトを形成するためのマスクである。
Next, as shown in FIG. 10A, an
次に、図10(b)に示すように、フォトレジスト53をマスクとして、層間絶縁膜52をエッチングする。層間絶縁膜52のエッチングは、例えば、CHF3とO2の混合ガスを用いたドライエッチングによって行われる。次いで、フォトレジスト53を除去する。
Next, as shown in FIG. 10B, the
次に、図11(a)に示すように、層間絶縁膜52をウエットエッチングした後、コンタクト金属(チタン(Ti)又はニッケル(Ni))55を堆積する。層間絶縁膜52のエッチングは、例えば、弗酸と水の混合溶液を用いたウエットエッチングによって行われ、このウエットエッチングによって層間絶縁膜52が後退し、それにより、層間絶縁膜52からチャネルエピ層30の端部(側面と、上面の一部)を露出させることができる。層間絶縁膜52をウエットエッチングするのは、不純物を除去して、次工程以降で安定したオーミック接合を形成するためである。なお、図10(a)に示した構造から、所定のマスクを用いてエッチングすることによって、図11(a)に示した層間絶縁膜52を形成することも可能である。
Next, as shown in FIG. 11A, after the
次に、図11(b)に示すように、コンタクト金属55に熱処理を行ってシリサイド化を実行し、次いで、未反応コンタクト金属を除去することによって、ソース電極28が形成される。本実施形態のソース電極28は、ソース領域24およびP+層26に接触するように形成されるとともに、チャネルエピ層30の端部(側面と、上面の一部)を覆うように形成される。コンタクト金属55が例えばTiからなる場合、Tiを堆積した後に950℃の熱処理が実行される。
Next, as shown in FIG. 11B, the
その後は、典型的な配線形成工程が実行される。すなわち、上述したソース電極(例えば、TiとSiとの合金層)28を形成した後に、ドレイン電極(例えば、TiとSiとの合金層)50を形成すると、本実施形態の半導体装置100が得られる。ドレイン電極50は、SiC基板10の裏面10bに形成され、例えば、Tiを堆積した後に950℃で熱処理を行うことによって形成される。このようにして、本実施形態の半導体装置100は製造することができる。
Thereafter, a typical wiring forming process is performed. That is, when the drain electrode (for example, an alloy layer of Ti and Si) 50 is formed after the source electrode (for example, an alloy layer of Ti and Si) 28 is formed, the
また、本実施形態の半導体装置100は、以下のように改変して製造することもできる。図12から図13を参照しながら説明する。
In addition, the
まず、図8(b)に示す工程まで実行して、チャネルエピ層30を形成する。その後、図12(a)に示すように、チャネルエピ層30のエッチングは行わずに、チャネルエピ層30の上に、ゲート酸化膜42およびゲート電極44を形成する。
First, the process shown in FIG. 8B is performed to form the
次に、図12(b)に示すように、ゲート酸化膜42およびゲート電極44を覆うように、チャネルエピ層30を有する基板(10、20)の上に層間絶縁膜52を形成する。次いで、層間絶縁膜52の上にフォトレジスト53を形成する。このフォトレジスト53は、図10(a)に示したものと同様に、ソースコンタクトおよびボディーコンタクトを形成するためのマスクである。
Next, as shown in FIG. 12B, an
次に、図13(a)に示すように、フォトレジスト53をマスクとして、層間絶縁膜52、次いでチャネルエピ層30をエッチングする。このエッチングは、例えば、CHF3とO2の混合ガスを用いたドライエッチングによって行われる。次いで、フォトレジスト53を除去する。なお、フォトレジスト53の除去は、チャネルエピ層30のエッチングの前に実行してもよい。
Next, as shown in FIG. 13A, the
次に、図13(b)に示すように、コンタクト金属55の堆積のための前処理として層間絶縁膜52をウエットエッチングした後、コンタクト金属(チタン(Ti)又はニッケル(Ni))55を堆積する。その後は、図11(a)、(b)に示した工程ならびにその後の工程を経て、本実施形態の半導体装置100を得る。
Next, as shown in FIG. 13B, after the
さらに、図14(a)及び(b)のようにして、本実施形態の半導体装置100を製造することもできる。
Furthermore, as shown in FIGS. 14A and 14B, the
まず、図12(b)に示した構造を作製した後、フォトレジスト53をマスクとして、層間絶縁膜52をエッチングし、次いで、図14(a)に示すように、チャネルエピ層30の端部がテーパー状(30T)になるようにエッチングする。このエッチングは、例えば、CF4とO2の混合ガスによるドライエッチングにおいて、CF4の流量割合を増加することによって行われる。次いで、フォトレジスト53を除去する。なお、フォトレジスト53の除去は、チャネルエピ層30のエッチングの前に実行してもよい。
First, after the structure shown in FIG. 12B is fabricated, the
次に、図14(b)に示すように、コンタクト金属55の堆積のための前処理として層間絶縁膜52をウエットエッチングした後、コンタクト金属(チタン(Ti)又はニッケル(Ni))55を堆積する。その後は、図11(a)(b)に示した工程ならびにその後の工程を経て、本実施形態の半導体装置100を得る。
Next, as shown in FIG. 14B, after the
図14(a)及び(b)に示した構造から作製された半導体装置100は、チャネルエピ層30の端部がテーパー状(30T)となっているので、側面に形成されるソース電極28bのカバレッジが向上するという利点がある。なお、テーパー状の部分(30T)の傾斜角度θ(底面と側壁面との成す角)は、例えば、90°未満45°以上とすることができる。
In the
本実施形態の半導体装置100は、上述したように、縦型MOSFETのオン状態での動作において、電流集中を抑制できるため、低オン抵抗、高信頼性の特性を示すことができる。また、本実施形態の半導体装置100は、以下のように改変を行うこともできる。
As described above, the
図15は、本実施形態の半導体装置100の改変例を模式的に示す断面図である。図15に示した半導体装置100は、チャネルエピ層30の上にデルタドープ層が形成されている点において図1に示した半導体装置100と異なる。
FIG. 15 is a cross-sectional view schematically showing a modified example of the
さらに説明すると、デルタドープ層35は、チャネルエピ層30の中で局所的に不純物濃度が高い層であり、例えば、デルタドープ層35がn+層であるとすると、それ以外のチャネルエピ層30の部位におけるn型不純物の濃度は、デルタドープ層35におけるn型不純物の濃度の例えば10分の1以下である。このデルタドープ層35は、ソース電極28と接触している。なお、図16は、図15に示した構造に層間絶縁膜52が形成されたものを示している。デルタドープ層35は、例えば、チャネルエピ膜堆積中に添加ガスであるN2の流量を増加することによって形成することができる。
More specifically, the delta doped
図15に示した改変例によれば、チャネルエピ層30の中にデルタドープ層35が形成されていることにより、電流集中を抑制する効果をさらに得ることができる。すなわち、チャネルエピ層30の側面を覆っているソース電極28が、デルタドープ層35と接触することができるので、上下方向の電流の経路よりも水平方向の電流の経路を多くすることができる。その結果、図1に示した構造よりも、図15に示した改変例の方が、電流集中を抑制する効果を達成しやすくなる。
According to the modification shown in FIG. 15, since the delta doped
また、チャネルエピ層30の中にデルタドープ層35が形成されていることにより、閾値の制御という本来の目的以外にソース電極28bとの接触抵抗を下げるという効果も得ることができる。
In addition, since the delta doped
図17は、デルタドープ層35が形成されたチャネルエピ層30の構成の一例を示している。デルタドープ層35は、図15に例示するようにチャネルエピ層30の厚さ方向の略中心に配置することができるが、図17に示すようにチャネルエピ層30の厚さ方向の中心以外に配置することも可能である。
FIG. 17 shows an example of the configuration of the
図17に示した例では、チャネルエピ層30の厚さ方向の中心から下側にデルタドープ層35が配置されている。さらに詳しく述べると、チャネルエピ層30の下層には、アンドープ層(i層)30A(例えば厚さ30nm)があり、その上にデルタドープ層35A(例えば厚さ10nm)が配置され、そして、その上にi層30A(例えば厚さ90nm)がある。このようにチャネルエピ層30の下側にデルタドープ層35を配置すると、チャネルの移動度が高くなるという効果を得ることができる。このチャネル移動度を高くできる効果は、高濃度層のキャリアが波動関数的に低濃度層に染み出して、不純物が少ない低濃度層でキャリアとして振舞うことで、不純物散乱が小さくことによって得られる。
In the example shown in FIG. 17, the delta doped
また、デルタドープ層35は、チャネルエピ層30の中に一層だけでなく複数層設けることもできる。図18は、デルタドープ層35を2層(35A、35B)設けた例を示している。さらに詳しく述べると、チャネルエピ層30の下層には、i層30A(例えば厚さ20nm)があり、その上にデルタドープ層35A(例えば厚さ10nm)が配置され、次いで、i層30C(例えば厚さ20nm)、デルタドープ層35B(例えば厚さ10nm)、i層30B(例えば厚さ90nm)が順次積層されている、このようにチャネルエピ層30においてi層とデルタドープ層(n+層)とは複数回繰り返すことができ、そして、複数のデルタドープ層35を配置すると、よりソース電極28bとの接触抵抗を下げることができるという効果を得ることができる。
The delta doped
さらに、本実施形態の構成は、図19に示すように改変することもできる。図19に示した改変例は、チャネルエピ層30の端部に注入層33が形成されている点において上述した図1に示した構成と異なる。注入層33は、n+層である。また、図19に示した例では、チャネルエピ層30にデルタドープ層35が形成された構成を示している。
Furthermore, the configuration of the present embodiment can be modified as shown in FIG. The modified example shown in FIG. 19 is different from the configuration shown in FIG. 1 described above in that the
図19に示した改変例によれば、チャネルエピ層30の端部に注入層33が形成されていることにより、図1に示した構成と比較して、電流集中を抑制する効果をさらに得ることができる。すなわち、チャネルエピ層30の側面を覆っているソース電極28は、注入層33を介してチャネルエピ層30に接触することができるので、上下方向の電流の経路よりも水平方向の電流の経路を多くすることができ。図1に示した構造よりも電流集中を抑制する効果を達成しやすくなる。加えて、チャネルエピ層30にデルタドープ層35が形成されている場合には、図15に示した構造の効果もあわせて得ることができる。
According to the modified example shown in FIG. 19, since the
図19に示した改変例は、次のようにして製造することができる。図20から図22を参照しながら、図19に示した半導体装置100の製造方法について説明する。
The modified example shown in FIG. 19 can be manufactured as follows. A method for manufacturing the
図8(b)に示した構造を作製した後、図20(a)に示すように、チャネルエピ層30の上に注入マスク74を堆積し、その後、注入マスク74の上にフォトレジスト74Aを形成する。なお、図19に示した構成例を作製する場合、図8(b)に示した構造においてチャネルエピ層30がデルタドープ層35を有するように成長させる。
After the structure shown in FIG. 8B is fabricated, an
注入マスク74は、例えば、SiO2(酸化シリコン)である。フォトレジスト74Aは、チャネル領域40を規定するために設けられる。フォトレジスト74Aは、チャネル領域40となるウェル領域(p−)22の表層部の上方に設けられるが、重ね合わせズレと寸法バラツキとを考慮して、ソース領域(n++)24に重ね合わせた部分(オーバーラップ部分)45を持たせてマージンを確保し、それによって、確実にチャネル領域40が形成できるように設計されている。
The
次に、図20(b)に示すように、フォトレジスト74Aをマスクとして注入マスク74をエッチングすることによって、注入マスクパターン74Bを形成する。次いで、フォトレジスト74Aを除去した後、注入マスクパターン74Bをマスクとして、チャネルエピ層30に、N+(窒素イオン)またはP+(リンイオン)をイオン注入(矢印86)することによって、チャネルエピ層30中にn+部位(33)を形成する。この例では、チャネルエピ層30の端部に位置するn+部位33を形成している。なお、チャネルエピ層30中におけるn+の濃度は、均一でなくてもよい。ここでイオン注入の条件は、例えば、30keVで5×1015〜5×1020cm-3である。
Next, as shown in FIG. 20B, the
次に、図21(a)に示すように、注入マスクパターン74Bを除去した後、基板の両面に、より正確には、チャネルエピ層30の表面とSiC基板10の裏面10bに、キャップ膜90を形成する。キャップ膜90は、例えば、炭素から構成されており、スパッタ法により、主面と反対面を別々に堆積する。キャップ膜90を形成した後は、1000℃以上(ここでは1800℃)の温度で基板を活性化アニールする。なお、キャップ膜90なしで、SiH4雰囲気下でのアニールを行うことも可能である。
Next, as shown in FIG. 21A, after removing the
次に、図21(b)に示すように、両面キャップ膜90を除去した後、チャネルエピ層30の表面をCMP(化学的機械的研磨)する。なお、CMPの実施は、任意であり、CMPを行わなくてもよい。
Next, as shown in FIG. 21B, after the double-
次に、図22(a)に示すように、チャネルエピ層30の上に、フォトレジスト75Aを形成した後、フォトレジスト75Aをマスクとして、チャネルエピ層30をエッチングする。以上により、チャネルエピ層30のうちソース領域24上に位置する部位33に、n+のドーパント(窒素イオンまたはリンイオン)が注入されたチャネルエピ層30が形成される。すなわち、エピチャネル層30のうち、チャネル領域40を除く部位33に、n+のドーパントが形成されている。
Next, as shown in FIG. 22A, after forming a
次に、図22(b)に示すように、フォトレジスト75Aを除去した後、チャネルエピ層30の上にゲート酸化膜(SiO2)42を形成し、次いで、ゲート酸化膜42の上にゲート電極(poly−Si)44を形成する。その後、そのゲート電極44の上に、フォトレジスト(不図示)を形成し、ゲート電極44をエッチングして、当該フォトレジストを除去する。その後は、図9(b)以降の工程を実行すればよい。
Next, as shown in FIG. 22B, after removing the
また、本実施形態の構成は、図23に示すように改変することもできる。図23に示した改変例では、図19に示した構成におけるチャネルエピ層30の端部の注入層33に加えて、チャネルエピ層30中央部にも注入層34が形成されている。チャネルエピ層30に注入層34に設けることにより、上述した効果に加えて、図2に示した領域99における電流集中の問題をさらに効果的に回避するという効果を得ることができる。
Further, the configuration of the present embodiment can be modified as shown in FIG. In the modified example shown in FIG. 23, in addition to the
ここで注入層33および34は、n+層である。また、チャネルエピ層30中におけるn+の濃度は、均一でなくてもよい。なお、図19に示した例では、チャネルエピ層30にデルタドープ層35が形成された構成を示したが、勿論、図23に示した例でもデルタドープ層35を形成することも可能である。図示した例では、チャネルエピ層30にデルタドープ層35を形成していないものを示している。
Here, the injection layers 33 and 34 are n + layers. Further, the n + concentration in the
図23に示した改変例は、次のようにして製造することができる。図24から図26を参照しながら、図23に示した半導体装置100の製造方法について説明する。なお、図24から図26は、基本的に上述の図20から図22に対応するので一部説明を省略する。
The modified example shown in FIG. 23 can be manufactured as follows. A method for manufacturing the
まず、図8(b)に示した構造を作製した後、図24(a)に示すように、チャネルエピ層30の上に注入マスク74を堆積し、その後、注入マスク74の上にフォトレジスト74Aを形成する。フォトレジスト74Aは、チャネル領域40となるウェル領域(p−)22の表層部の上方に設けられるが、重ね合わせズレと寸法バラツキとを考慮して、ソース領域(n++)24とJFET領域60とに重ね合わせた部分(オーバーラップ部分)45を持たせてマージンを確保し、それによって、確実にチャネル領域40が形成できるように設計されている。
First, after the structure shown in FIG. 8B is fabricated, an
次に、図24(b)に示すように、フォトレジスト74Aをマスクとして注入マスク74をエッチングすることによって、注入マスクパターン74Bを形成する。次いで、フォトレジスト74Aを除去した後、注入マスクパターン74Bをマスクとして、チャネルエピ層30に、N+(窒素イオン)またはP+(リンイオン)をイオン注入(矢印86)することによって、チャネルエピ層30中にn+部位(33、34)を形成する。
Next, as shown in FIG. 24B, the
次に、図25(a)に示すように、注入マスクパターン74Bを除去した後、基板の両面にキャップ膜90を形成する。次いで、図25(b)に示すように、両面キャップ膜90を除去した後、チャネルエピ層30の表面をCMP(化学的機械的研磨)する。なお、CMPの実施は、任意であり、CMPを行わなくてもよい。
Next, as shown in FIG. 25A, after removing the
次に、図26(a)に示すように、チャネルエピ層30の上に、フォトレジスト75Aを形成した後、フォトレジスト75Aをマスクとして、チャネルエピ層30をエッチングする。以上により、チャネルエピ層30のうちソース領域24上に位置する第1部位33と炭化硅素エピタキシャル層20のJFET領域60上に位置する第2部位34との両方に、n+のドーパント(窒素イオンまたはリンイオン)が注入されたチャネルエピ層30が形成される。すなわち、エピチャネル層30のうち、チャネル領域40を除く部位33、34に、n+のドーパントが形成されている。
Next, as shown in FIG. 26A, after forming a
次に、図26(b)に示すように、フォトレジスト75Aを除去した後、チャネルエピ層30の上にゲート酸化膜(SiO2)42を形成し、次いで、ゲート酸化膜42の上にゲート電極(poly−Si)44を形成する。その後、そのゲート電極44の上に、フォトレジスト(不図示)を形成し、ゲート電極44をエッチングして、当該フォトレジストを除去する。その後は、図9(b)以降の工程を実行すればよい。
Next, as shown in FIG. 26B, after removing the
図27は、図19に示した半導体装置100の更なる改変例を模式的に示す断面図である。図27に示した半導体装置100は、チャネルエピ層30の上に位置するゲート酸化膜42の厚さが部位によって異なっている点が異なる。
FIG. 27 is a cross-sectional view schematically showing a further modification of the
さらに説明すると、チャネルエピ層30中に形成されたn+層(33、34)の上方に位置するゲート酸化膜42の厚さは、チャネル領域40の上方に位置するゲート酸化膜42の厚さよりも厚くなっている。具体的には、ゲート酸化膜42のうち、第1部位33の上方に位置する部分42c、第2部位34の上方に位置する部分42bは、チャネル領域40の上方に位置する部分42aの厚さよりも厚い。
More specifically, the thickness of the
図2に示した半導体装置200においてJFET領域60の上方に位置する部分のゲート容量は比較的大きく、それによって、半導体装置200の高速動作を行うのが困難となっていた。一方、図27に示した半導体装置100では、ゲート酸化膜42のうちJFET領域60の上方に位置する部分42bを厚くしているので、ゲート容量を低減することができ、その結果、高速動作を実現することが可能となる。ゲート酸化膜42の厚い部分42bの厚さは、ゲート酸化膜42のチャネル領域40の厚さより、例えば、1.2〜2倍となっている。
In the
図27に示した構造100は、ゲート酸化膜の増速酸化を利用して実現することができる。ゲート酸化膜の増進酸化とは、シリコンにおいて不純物(例えば、As)が注入された領域は、同じ酸化条件下でも、酸化レートが早いという現象である。本願発明者は、SiC基板を1000〜1200℃で酸化した際に、窒素注入領域は注入していない領域と同じ酸化レートであるのに対し、リンを注入した領域は注入していない領域と比べて約1.2〜2倍の酸化レートであることを実験的に見い出した。この本願発明者が見い出した増速酸化の現象を利用すると、チャネルエピ層30中に形成されたn+層(33、34)のドーパントをリンとし、そのリンによる増進酸化で、ゲート酸化膜42の厚さを部位によって変化させることができる。
The
また、本実施形態の半導体装置100は、図28に示すように改変することも可能である。図28に示した半導体装置100は、JFET領域60に第1導電型(ここでは、n型)のドーパントが注入された領域62を有している点が異なる。ここで、領域62におけるn型ドーパントの濃度は、ドリフトエピ層20のn型ドーパントの濃度よりも高い。
Further, the
さらに、図28に示した例において、JFET領域60に注入されたn型ドーパントの濃度(領域62のドーパント濃度)は、ウェル領域22に含まれる第2導電型(ここでは、p型)のドーパントの濃度よりも小さくされており、好ましくは、ウェル領域22のドーパント濃度よりも十分小さくされている。また、チャネルエピ層30中に形成されたn+層34の下方に、領域62(n−型ドープ層62)は位置している。本実施形態における領域62は、30keVから700keVのエネルギーにて、1×1016cm-3〜1×1017cm-3の濃度でJFET領域60に注入することによって形成される。
Further, in the example shown in FIG. 28, the concentration of the n-type dopant implanted into the JFET region 60 (the dopant concentration in the region 62) is the second conductivity type (here, p-type) dopant contained in the
図28に示した半導体装置100では、JFET領域60中のドーパント濃度(より具体的には、領域62のドーパント濃度)を、ドリフトエピ層20のn型ドーパントの濃度よりも高くしていることにより、図1に示した半導体装置100よりもオン抵抗を低下させることが可能となる。また、同じJFET抵抗にした場合、図28に示した半導体装置100では、JFET間隔を狭めることができるため、チップ面積を小さくすることができる。なお、図28に示した半導体装置100の特徴は、上述した実施形態における半導体装置100に含めることも可能である。
In the
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。 As mentioned above, although this invention was demonstrated by suitable embodiment, such description is not a limitation matter and of course various modifications are possible.
本発明は、電流集中によるオン抵抗の特性劣化を緩和できる半導体装置、特に、高耐圧、大電流用に使用される炭化珪素からなるパワー半導体デバイスに好適である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is suitable for a semiconductor device that can alleviate deterioration in on-resistance characteristics due to current concentration, and particularly for a power semiconductor device made of silicon carbide used for high withstand voltage and large current.
10 半導体基板
20 炭化硅素エピタキシャル層(ドリフトエピ層)
22 ウェル領域
24 ソース領域
26 コンタクト領域
28 ソース電極
30 チャネルエピタキシャル層(チャネルエピ層)
35 デルタドープ層
40 チャネル領域
42 ゲート酸化膜
44 ゲート電極
50 ドレイン電極
52 層間絶縁膜
53 フォトレジスト
55 コンタクト金属
60 JFET領域
62 n−型ドープ層
70 注入マスク
90 キャップ膜
100 半導体装置
1000 半導体装置
10
22
35 Delta doped
Claims (13)
前記半導体基板の主面上に形成され、当該半導体基板よりも低いドーパント濃度を有する第1導電型の炭化硅素エピタキシャル層と、
前記炭化硅素エピタキシャル層の一部に形成された第2導電型のウェル領域と、
前記ウェル領域の一部に形成された第1導電型のソース領域と、
を備え、
前記炭化硅素エピタキシャル層と前記ウェル領域と前記ソース領域との上には、炭化硅素からなるチャネルエピタキシャル層が形成されており、
前記チャネルエピタキシャル層のうち前記ウェル領域上に位置する部位は、チャネル領域として機能し、
前記ソース領域の上には、ソース電極が形成されており、
前記ソース電極は、前記チャネルエピタキシャル層の少なくとも側面を覆っている、半導体装置。 A first conductivity type semiconductor substrate having a main surface and a back surface opposite to the main surface, and made of silicon carbide;
A silicon carbide epitaxial layer of a first conductivity type formed on a main surface of the semiconductor substrate and having a dopant concentration lower than that of the semiconductor substrate;
A second conductivity type well region formed in a part of the silicon carbide epitaxial layer;
A source region of a first conductivity type formed in a part of the well region;
With
A channel epitaxial layer made of silicon carbide is formed on the silicon carbide epitaxial layer, the well region, and the source region,
A portion of the channel epitaxial layer located on the well region functions as a channel region,
A source electrode is formed on the source region,
The semiconductor device, wherein the source electrode covers at least a side surface of the channel epitaxial layer.
前記ゲート酸化膜の上には、ゲート電極が形成されており、
前記半導体基板の裏面には、ドレイン電極が形成されている、請求項1から5の何れか一つに記載の半導体装置。 A gate oxide film is formed on the channel epitaxial layer,
A gate electrode is formed on the gate oxide film,
The semiconductor device according to claim 1, wherein a drain electrode is formed on a back surface of the semiconductor substrate.
前記炭化硅素エピタキシャル層の一部に、第2導電型のウェル領域を形成する工程(b)と、
前記ウェル領域の一部に第1導電型のソース領域を形成する工程(c)と、
前記炭化硅素エピタキシャル層と前記ウェル領域と前記ソース領域との上に、炭化硅素からなるチャネルエピタキシャル層を形成する工程(d)と、
前記ソース領域の上に、ソース電極を形成する工程(e)と、
を含み、
前記工程(e)において、前記ソース電極は、前記チャネルエピタキシャル層の少なくとも側面を覆うように形成される、半導体装置の製造方法。 Forming a first conductivity type silicon carbide epitaxial layer having a dopant concentration lower than that of the semiconductor substrate on the main surface of the first conductivity type semiconductor substrate made of silicon carbide;
A step (b) of forming a second conductivity type well region in a part of the silicon carbide epitaxial layer;
Forming a first conductivity type source region in a part of the well region;
Forming a channel epitaxial layer made of silicon carbide on the silicon carbide epitaxial layer, the well region, and the source region;
Forming a source electrode on the source region (e);
Including
In the step (e), the source electrode is formed so as to cover at least a side surface of the channel epitaxial layer.
前記チャネルエピタキシャル層の上に、ゲート酸化膜を形成する工程と、
前記ゲート酸化膜の上に、ゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極と前記ゲート酸化膜と前記チャネルエピタキシャル層を覆うように、前記ソース領域が形成された前記半導体基板の主面上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜をエッチングすることによって、前記層間絶縁膜から前記チャネルエピタキシャル層の端部を露出させる工程と、
露出した前記チャネルエピタキシャル層の端部と前記層間絶縁膜と前記炭化珪素エピタキシャル層とを覆うように金属膜を形成する工程と、
前記金属膜を加熱処理する工程と、
を含む、請求項11に記載の半導体装置の製造方法。 The step (e)
Forming a gate oxide film on the channel epitaxial layer;
Forming a gate electrode on the gate oxide film;
Forming an interlayer insulating film on the main surface of the semiconductor substrate on which the source region is formed so as to cover the gate electrode, the gate oxide film, and the channel epitaxial layer;
Exposing the end portion of the channel epitaxial layer from the interlayer insulating film by etching the interlayer insulating film;
Forming a metal film so as to cover the exposed end of the channel epitaxial layer, the interlayer insulating film, and the silicon carbide epitaxial layer;
Heat-treating the metal film;
The manufacturing method of the semiconductor device of Claim 11 containing this.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012522372A (en) * | 2009-03-27 | 2012-09-20 | クリー インコーポレイテッド | Method of forming a semiconductor device including an epitaxial layer and related structures |
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| JP2014146839A (en) * | 2009-03-27 | 2014-08-14 | Cree Inc | Method of forming semiconductor device including epitaxial layer and related structure |
| US9640652B2 (en) | 2009-03-27 | 2017-05-02 | Cree, Inc. | Semiconductor devices including epitaxial layers and related methods |
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