JP2009266871A - Silicon carbide semiconductor device and method of manufacturing same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、炭化珪素半導体基板を用いた半導体装置、特に、大電流用に使用される炭化珪素半導体パワーデバイスの製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device using a silicon carbide semiconductor substrate, and more particularly to a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor power device used for a large current.
パワーデバイスは大電流を流す半導体素子であり、高耐圧かつ低損失であることが望まれる。従来からシリコン(Si)半導体を用いたパワーデバイスが主流であったが、近年では、炭化珪素(SiC)半導体を用いたパワーデバイスが注目され、開発が進められている。炭化珪素半導体はシリコンに比べて1桁高い絶縁破壊電界を有するため、PN接合やショットキー接合の空乏層を薄くしても逆耐圧を維持できる。したがって、デバイス厚さを薄く、ドーピング濃度を高くすることができるために、炭化珪素は、オン抵抗が低く、高耐圧・低損失のパワーデバイスの材料として期待されている。 A power device is a semiconductor element that allows a large current to flow, and is desired to have a high breakdown voltage and low loss. Conventionally, power devices using silicon (Si) semiconductors have been mainstream, but in recent years, power devices using silicon carbide (SiC) semiconductors have attracted attention and are being developed. Since a silicon carbide semiconductor has a dielectric breakdown electric field that is an order of magnitude higher than that of silicon, a reverse breakdown voltage can be maintained even if a depletion layer of a PN junction or a Schottky junction is thinned. Therefore, since the device thickness can be reduced and the doping concentration can be increased, silicon carbide is expected to be a material for power devices with low on-resistance, high breakdown voltage, and low loss.
図17は、従来の炭化珪素半導体装置の例である二重注入型MOSFETの構造を示す断面図である。図17に示すように、従来の炭化珪素半導体装置では、低抵抗の炭化珪素からなる基板101の上に基板101より高抵抗なドリフト層102がエピタキシャル成長されている。ドリフト層102の表層には選択的なイオン注入によってp型のウェル領域103が形成され、その内部にはイオン注入によって高濃度のn型のソース領域105と、ソース領域105に囲まれる領域に位置するp型のp+コンタクト領域104とが設けられている。
FIG. 17 is a cross-sectional view showing a structure of a double injection MOSFET as an example of a conventional silicon carbide semiconductor device. As shown in FIG. 17, in a conventional silicon carbide semiconductor device,
2つのウェル領域103によって挟まれるドリフト層102の上からその2つのウェル領域103内におけるソース領域105の端部の上に亘って、熱酸化膜からなるゲート絶縁膜106が形成されている。ゲート絶縁膜106の上にはゲート電極109が形成されている。p+コンタクト領域104の上からその両端に位置するソース領域105の端部の上には、コンタクト領域104とオーミック接触するソース電極108が設けられている。さらに、基板101の裏面全面には、基板101とオーミック接触するドレイン電極107が設けられている。
A
ドリフト層102、p型ウェル領域103、p+コンタクト領域104およびソース領域105の上には層間絶縁膜110が堆積されている。層間絶縁膜110には、ソース電極108およびゲート電極109にそれぞれ到達するコンタクトホールが設けられており、層間絶縁膜110の上には、厚さ2μmのアルミニウムからなり、コンタクトホールを埋めるソース電極上部配線111およびゲート電極上部配線112が設けられている。以上のような構造は、例えば特許文献1に開示されている。
An
このようなパワーMOSFETのオン抵抗の内訳は、ソース電極とソース領域のソースコンタクト抵抗、ソース領域抵抗、ゲート電極下に形成されるチャネルのチャネル抵抗、電流がJFET領域(隣接するウェル領域の間)を流れるときのJFET抵抗、JFETより下のドリフト層を電流が流れるときのドリフト抵抗、電流が基板を流れるときの基板抵抗、ドレインコンタクト抵抗である。さらなる低オン抵抗化を目指して、様々な開発が進められているが、その一つとして、ソース領域の高濃度化によるソースコンタクト抵抗およびソース抵抗の低減が行われている。
本願の発明者らはソース領域のコンタクト抵抗と、ソース領域の濃度および注入種に対する依存性を調査した。その結果を図12に示す。従来ソース領域の形成には窒素イオンの注入が用いられてきたが、注入ドーズを増やして1×1020cm−3以上にしても、コンタクト抵抗は低減せず、逆に上昇することがわかった。しかしながら、燐イオンの注入の場合は1×1020cm−3以上の領域でも、ドーピング濃度の増大にともなってコンタクト抵抗を低減できた。さらには4×1020cm−3以上まで濃度を増やしてもコンタクト抵抗は一様に低下し、窒素注入に比べコンタクト抵抗が1桁低減できることがわかった。窒素のドーピング濃度をあげてもコンタクト抵抗低減には限界があることは非特許文献1でも報告されており、炭化珪素中の窒素の固溶限界が低いことが原因とされている。
The inventors of the present application investigated the contact resistance of the source region and the dependency on the concentration of the source region and the implanted species. The result is shown in FIG. Conventionally, nitrogen ion implantation has been used to form the source region, but it has been found that even if the implantation dose is increased to 1 × 10 20 cm −3 or more, the contact resistance does not decrease but rises. . However, in the case of phosphorus ion implantation, the contact resistance can be reduced with increasing doping concentration even in the region of 1 × 10 20 cm −3 or more. Furthermore, it was found that even when the concentration was increased to 4 × 10 20 cm −3 or more, the contact resistance uniformly decreased, and the contact resistance could be reduced by an order of magnitude compared to nitrogen implantation.
しかしながら、本願の発明者は燐注入によって形成されたソース領域を熱酸化すると、注入しない基板や、窒素注入領域、アルミ注入領域に比べ酸化レートが約二倍となっていることをつきとめた。図13は炭化珪素を1200℃のドライ酸素雰囲気中で3時間、熱酸化したときの表面熱酸化膜の膜厚を分光エリプソメータで評価した結果である。注入していないn型4H−SiC炭化珪素基板、ノンドープの炭化珪素エピタキシャル層の窒素注入した表面、アルミニウムを注入した表面が不純物濃度に依存せず約80nm程度での一定膜厚であるのに対し、燐注入層は表面酸化膜厚が不純物濃度に依存して増えている。 However, the inventors of the present application have found that when the source region formed by phosphorous implantation is thermally oxidized, the oxidation rate is about twice that of the non-implanted substrate, the nitrogen implanted region, and the aluminum implanted region. FIG. 13 shows the result of evaluating the thickness of the surface thermal oxide film with a spectroscopic ellipsometer when silicon carbide is thermally oxidized in a dry oxygen atmosphere at 1200 ° C. for 3 hours. Whereas the non-implanted n-type 4H—SiC silicon carbide substrate, the nitrogen-implanted surface of the non-doped silicon carbide epitaxial layer, and the aluminum-implanted surface have a constant film thickness of about 80 nm regardless of the impurity concentration. In the phosphorus implantation layer, the surface oxide film thickness increases depending on the impurity concentration.
例えば、1×1020cm−3の表面不純物濃度でも酸化膜厚は100nm程度であり、窒素注入領域やアルミ注入領域のそれよりも厚いが、不純物濃度が増えると膜厚はさらに厚くなり、4×1020cm−3では、約160nmとなり窒素注入領域、アルミ注入領域のそれの二倍の膜厚となっている。 For example, even when the surface impurity concentration is 1 × 10 20 cm −3 , the oxide film thickness is about 100 nm and is thicker than that of the nitrogen implantation region or the aluminum implantation region, but as the impurity concentration increases, the film thickness further increases. At × 10 20 cm −3 , the thickness is about 160 nm, which is twice the thickness of the nitrogen implantation region and the aluminum implantation region.
したがって、燐注入でソース領域形成に適用して二重注入型MOSFETを製造すると、以下の不具合が生じる。以降、図面を参照して説明する。図14〜16は燐を注入してソース領域を形成する場合の二重注入型MOSFETの断面工程図である。 Therefore, when a double injection type MOSFET is manufactured by applying phosphorus implantation to the source region formation, the following problems occur. Hereinafter, description will be given with reference to the drawings. 14 to 16 are cross-sectional process diagrams of the double-injection type MOSFET when the source region is formed by implanting phosphorus.
まず、炭化珪素基板1に基板よりも低濃度の不純物を含む炭化珪素からなるドリフト層2をエピタキシャル成長させる(図14(a))。
First, the
次に、図示しない注入マスク(例えばSiO2などからなる)を表面に形成し、基板温度を500℃程度の高温に保って、p型不純物としてアルミニウムを注入して、P型のウェル領域3を表面に形成する(図14(b))。
Next, an unillustrated implantation mask (for example, made of
さらに、同様に図示しない注入マスク(例えばSiOなどからなる)を表面に形成し、基板温度を500℃程度の高温に保って、n型不純物として燐を注入して、n型のソース領域4をウェル領域内の表面の一部に形成する。低いコンタクト抵抗を得るために、燐注入領域の不純物濃度は1×1020cm−3よりも高いほうが好ましく、より好ましくは4×1020cm−3が好ましい。注入条件は例えばエネルギー30keV、ドーズ量1.1×1015cm−2、エネルギー80keV、ドーズ量2.2×1015cm−2、エネルギー180keV、ドーズ量5.0×1015cm−2とすれば、図7のような注入プロファイルが得られ、ソース領域において平均濃度4×1020cm−3を実現できる(図14(c))。
Similarly, an implantation mask (not shown) (not shown) is formed on the surface, phosphorus is implanted as an n-type impurity while maintaining the substrate temperature at a high temperature of about 500 ° C., and the n-
次に、図示しない注入マスク(例えばSiOなどからなる)を表面に形成し、基板温度を500℃程度の高温に保って、p型不純物としてアルミニウムを注入して、ウェル領域3につながる、p型のコンタクト領域5をソース領域内に形成する。コンタクト領域5はソース電極とのオーミックコンタクトを実現するため、ウェル領域3より高濃度とする。例えば1×1020cm−3程度である。コンタクト領域中のp型不純物が、ソース領域のn型不純物領域によって補償されてしまい、実質的なp型不純物濃度が減少することを防ぐため、n型ソース領域とp型コンタクト領域はできるだけ重ならないように注入マスクを形成する(図14(d))。
Next, an implantation mask (not shown) (for example, made of SiO) is formed on the surface, the substrate temperature is kept at a high temperature of about 500 ° C., and aluminum is implanted as a p-type impurity, leading to the
注入マスクを除去した後に、アルゴンなどの不活性ガス中で、1700℃程度の高温で活性化アニールを施す。 After removing the implantation mask, activation annealing is performed at a high temperature of about 1700 ° C. in an inert gas such as argon.
この後、公知の熱酸化法(例えばドライ酸素中で1200℃に加熱する)によって、表面にゲート絶縁膜6を形成する。燐注入ソース領域4はドリフト領域2やアルミニウムを注入しているウェル領域3、コンタクト領域5に比べ熱酸化のレートが大きく、ソース領域の表面のゲート絶縁膜6aはソース領域を除く領域のゲート絶縁膜6bに比べ二倍程度膜厚が大きくなる。このためソース領域4とそれ以外の領域で表面に段差ができる。厚みtのSiCが熱酸化され、厚みt’の熱酸化膜(SiO2)になるとすると、tとt’の関係は以下のように求められる。SiCの密度をdSiC、SiO2の密度をdSiO2とする。また、それぞれの分子量をMsic、Msio2とすると、今、厚みtの単位面積あたりのSiCに含まれるシリコン原子の数と、熱酸化後の厚みt’のSiO2に含まれるシリコン原子の数は等しいので、以下の式が成り立つ。
Thereafter, the
ここで、dSiC=3.2、dSiO2、=2.6、Msic=40.1,Msio2=60.1を代入するとt=0.5×t’となる。すなわち熱酸化膜の厚みt’の約50%の厚みtのSiCが消費される。例えば、厚み80nmのゲート酸化膜を形成すると表面から約40nmの深さのSiCが消費される。厚み160nmのゲート酸化膜が形成された場合には表面から約80nmの深さのSiCが消費される。したがって、燐注入領域とそれ以外の領域の段差Tは80−40=40nmとなる。一般化すると酸化膜厚の厚みの差の1/2の段差が形成される。 Here, if d SiC = 3.2, d SiO2 = 2.6, M sic = 40.1, and M sio2 = 60.1, t = 0.5 × t ′. That is, SiC having a thickness t of about 50% of the thickness t ′ of the thermal oxide film is consumed. For example, when a gate oxide film having a thickness of 80 nm is formed, SiC having a depth of about 40 nm from the surface is consumed. When a gate oxide film having a thickness of 160 nm is formed, SiC having a depth of about 80 nm from the surface is consumed. Therefore, the step T between the phosphorus implantation region and the other region is 80-40 = 40 nm. When generalized, a step of 1/2 of the difference in thickness of the oxide film thickness is formed.
このとき、熱酸化膜の密度と炭化珪素の密度の差から熱酸化膜の膜厚の約50%程度の炭化珪素が消費されて熱酸化膜となる。すなわち、ソース領域4では他の領域よりも炭化珪素の消費量が多く、そのため、ソース領域は他の領域に比べその表面が低くなり、ソース領域が凹んだ形状になる。また基板1の裏面にも熱酸化膜7が形成される(図14(e))。
At this time, silicon carbide of about 50% of the thickness of the thermal oxide film is consumed from the difference between the density of the thermal oxide film and the density of silicon carbide to become a thermal oxide film. That is, the amount of silicon carbide consumed in the
次に、ゲート絶縁膜6上にとして例えばn型の不純物を含む多結晶シリコンを堆積し、図示しないレジストマスクを形成しドライエッチングによりパターニングを行ってゲート電極8を形成する(図15(a))。
Next, for example, polycrystalline silicon containing n-type impurities is deposited on the
さらに、ゲート電極8上に層間絶縁膜9を形成する。層間絶縁膜9としては例えば酸化シリコンである(図15(b))。
Further, an
ソース電極を形成するために、形成した層間絶縁膜9にドライエッチングによって、ソース領域4とコンタクト領域5につながるコンタクトホール10を形成する(図15(c))。
In order to form a source electrode, a
ソース電極を形成するために、例えばニッケルを厚み100nm表面に堆積して、パターニングしてソース電極11を形成する。この後、オーミック特性を得るために窒素などの不活性ガス雰囲気中で、950℃程度の熱処理を行う。基板裏面電極はチタン12a、ニッケル12b、銀12cの3層構造とする(図16(a))。
In order to form the source electrode, for example, nickel is deposited on the surface having a thickness of 100 nm, and the
このようにしてできた二重注入MOSFETは、以下の課題を有する。 The double injection MOSFET thus produced has the following problems.
ゲート電極にゲート電圧を印加すると、ソース領域とドレイン領域にはさまれたウェル領域表面にはキャリアが流れるチャネルが形成される。 When a gate voltage is applied to the gate electrode, a channel through which carriers flow is formed on the surface of the well region sandwiched between the source region and the drain region.
ソース電極から注入された電子は、ソース領域を通ってこのチャネルを走行する。ところが、ゲート酸化によってソース領域とウェル領域の間に段差ができており、ここでキャリアが幾何学的散乱を受けるため、チャネル移動度が低下する。すなわちチャネル抵抗の増大を招き、MOSFETのオン抵抗の増大につながる。 Electrons injected from the source electrode travel through this channel through the source region. However, a step is formed between the source region and the well region due to gate oxidation, and carriers are subjected to geometrical scattering here, so that the channel mobility is lowered. That is, the channel resistance is increased and the on-resistance of the MOSFET is increased.
この段差TはSiC表面の熱酸化される深さ領域において、ウェハ面内に燐が注入されている領域と、燐が注入されていない領域が混在する限り、この段差はなくならない。 This step T does not disappear in the depth region where the SiC surface is thermally oxidized as long as a region where phosphorus is implanted and a region where phosphorus is not implanted are mixed in the wafer surface.
本発明は上記課題に鑑み、高濃度の燐注入によってソース領域を形成しソース電極のコンタクト抵抗、ソース領域のシート抵抗を低く抑えながらも、チャネル表面の段差を低減しチャネル移動度が低下しない炭化珪素MOSFETを提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention forms a source region by high-concentration phosphorus implantation and suppresses the contact resistance of the source electrode and the sheet resistance of the source region, while reducing the step on the channel surface and reducing the channel mobility. An object is to provide a silicon MOSFET.
本発明の炭化珪素半導体装置は、
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された前記基板よりも低濃度の不純物を含む炭化珪素からなるドリフト層と、
前記ドリフト層表面に形成されたp型のウェル領域と、
前記ウェル領域内に形成されたn型のソース領域と、
前記ウェル領域と前記ソース領域を跨るように表面に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記ソース領域の少なくとも一部に形成されたソース電極と、
を含む炭化珪素からなる半導体装置であって、
前記ソース領域の、表面の燐の濃度は1×1020cm−3以上であり、
前記ウェル領域と前記ゲート絶縁膜との界面と前記ソース領域と前記ゲート絶縁膜との界面の基板厚み方向における差が前記ゲート絶縁膜の膜厚の1/2未満であることを特徴とする炭化珪素半導体装置である。
The silicon carbide semiconductor device of the present invention is
A semiconductor substrate;
A drift layer made of silicon carbide containing impurities at a lower concentration than the substrate formed on the semiconductor substrate;
A p-type well region formed on the surface of the drift layer;
An n-type source region formed in the well region;
A gate insulating film formed on the surface so as to straddle the well region and the source region;
A gate electrode formed on the gate insulating film;
A source electrode formed on at least a part of the source region;
A semiconductor device comprising silicon carbide containing
The concentration of phosphorus on the surface of the source region is 1 × 10 20 cm −3 or more,
The carbonization characterized in that the difference in the substrate thickness direction between the interface between the well region and the gate insulating film and the interface between the source region and the gate insulating film is less than ½ of the thickness of the gate insulating film. It is a silicon semiconductor device.
また、ある好ましい実施形態においては、前記ウェル領域表面に燐を含むことが好ましい。 In a preferred embodiment, the well region surface preferably contains phosphorus.
ソース領域を燐を注入することで形成するので、窒素に比べ炭化珪素中の固溶限界が高く、高不純物濃度のソース領域を実現でき、もってソース領域のコンタクト抵抗、シート抵抗を低く抑えることができる。 Since the source region is formed by injecting phosphorus, the solid solution limit in silicon carbide is higher than that of nitrogen, and a source region with a high impurity concentration can be realized, thereby reducing the source region contact resistance and sheet resistance. it can.
また、ソース領域の燐の濃度はより好ましくは4×1020cm−3以上である。
燐注入であればこのような高濃度の注入でもソース領域のコンタクト抵抗はソース領域のドーピング濃度の増加に対して一様に低下する。
The concentration of phosphorus in the source region is more preferably 4 × 10 20 cm −3 or more.
In the case of phosphorus implantation, the contact resistance of the source region uniformly decreases with an increase in the doping concentration of the source region even at such high concentration implantation.
また、本炭化珪素半導体装置の製造方法は、
炭化珪素基板上に前記基板よりも低濃度の不純物を含む炭化珪素からなるドリフト層をエピタキシャル成長させる工程(a)と、
前記ドリフト層表面にp型不純物をイオン注入してp型のウェル領域を形成する工程(b)と、
前記ウェル領域内に燐をイオン注入してソース領域を形成する工程(c)と、
前記ドリフト層表面全面に面内方向にわたって概略均一な濃度プロファイルの燐を含む犠牲層を形成する工程(d)と、
前記工程(b)(c)(d)の後に注入した前記p型不純物と前記燐とを活性化するアニール工程(e)と、
前記活性化アニール後に少なくとも前記犠牲層を含む表面層を熱酸化することによってゲート絶縁膜を形成する工程(f)と、
前記ソース領域の少なくとも一部にソース電極を形成する工程(g)とを
含むことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法である。
The method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device is as follows:
A step (a) of epitaxially growing a drift layer made of silicon carbide containing impurities at a lower concentration than the substrate on a silicon carbide substrate;
(B) forming a p-type well region by ion-implanting p-type impurities into the drift layer surface;
(C) forming a source region by ion-implanting phosphorus into the well region;
A step (d) of forming a sacrificial layer containing phosphorus having a substantially uniform concentration profile over the entire surface of the drift layer over the in-plane direction;
An annealing step (e) for activating the p-type impurity and the phosphorus implanted after the steps (b), (c) and (d);
(F) forming a gate insulating film by thermally oxidizing at least the surface layer including the sacrificial layer after the activation annealing;
And a step (g) of forming a source electrode in at least a part of the source region.
ここで、犠牲層とはゲート酸化されて消費される深さ範囲のSiC表面層のことであって、この犠牲層内の面内において燐の濃度差をある範囲内に収まるようにする。 Here, the sacrificial layer is a SiC surface layer in the depth range consumed by gate oxidation, and the phosphorus concentration difference is kept within a certain range within the surface in the sacrificial layer.
このようにすることによって、熱酸化するときの、増速酸化は面内で一様におこるので、ソース領域とウェル領域の間で段差ができることはない。 By doing so, the speed-up oxidation at the time of thermal oxidation is uniformly performed in the plane, so that there is no step between the source region and the well region.
また、ある好ましい実施形態においては、前記ソース領域のイオン注入は多段注入であり、前記ソース領域のイオン注入による最もドリフト層に対して表面側の濃度ピーク位置は前記犠牲層の形成位置よりも深いことが好ましい。 In a preferred embodiment, the ion implantation of the source region is a multi-stage implantation, and the concentration peak position on the surface side with respect to the most drift layer by the ion implantation of the source region is deeper than the formation position of the sacrificial layer. It is preferable.
このようにすることにより、ソース領域の注入によるプロファイルでソース領域表面の犠牲層中の燐濃度が大幅に上昇することを防ぐことができる。 By doing so, it is possible to prevent the phosphorus concentration in the sacrificial layer on the surface of the source region from significantly increasing due to the profile of the source region implantation.
また、ある好ましい実施形態においては、前記工程(g)は前記ソース領域の少なくとも一部の表面に金属を堆積し、熱処理することにより、金属シリサイドを形成してソース電極とする工程であることが好ましい。 In a preferred embodiment, the step (g) is a step of depositing metal on at least a part of the surface of the source region and performing heat treatment to form a metal silicide to be a source electrode. preferable.
また、ある好ましい実施形態においては、前記犠牲層における燐の濃度は前記工程(f)において熱酸化で消費される炭化珪素表面層の深さ範囲内で、1×1019cm−3以上であることが好ましい。 In a preferred embodiment, the concentration of phosphorus in the sacrificial layer is 1 × 10 19 cm −3 or more within the depth range of the silicon carbide surface layer consumed by thermal oxidation in the step (f). It is preferable.
また、本炭化珪素半導体装置の製造方法は、
炭化珪素基板上に前記基板よりも低濃度の不純物を含む炭化珪素からなるドリフト層をエピタキシャル成長させる工程(h)と、
前記ドリフト層表面にp型不純物をイオン注入してp型のウェル領域を形成する工程(i)と、
前記ウェル領域内に燐をイオン注入してソース領域を形成する工程(j)と
前記工程(i)(j)の後に注入した前記p型不純物と前記燐とを活性化するアニール工程(k)と、
前記活性化アニール後に熱酸化することによってゲート絶縁膜を形成する工程(l)と、
前記ソース領域の少なくとも一部にソース電極を形成する工程(m)とを
含み、前記工程(j)における燐の注入濃度は、前記工程(l)において熱酸化で消費される炭化珪素表面層の深さ範囲内で、1×1019cm−3以下であることが好ましい。
The method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device is as follows:
A step (h) of epitaxially growing a drift layer made of silicon carbide containing impurities at a lower concentration than the substrate on the silicon carbide substrate;
(I) forming a p-type well region by ion-implanting p-type impurities into the drift layer surface;
A step (j) of forming a source region by ion implantation of phosphorus into the well region; and an annealing step (k) for activating the p-type impurity and the phosphorus implanted after the steps (i) and (j). When,
Forming a gate insulating film by thermal oxidation after the activation annealing (l);
A step (m) of forming a source electrode in at least a part of the source region, and the implantation concentration of phosphorus in the step (j) is the same as that of the silicon carbide surface layer consumed by thermal oxidation in the step (l). Within the depth range, it is preferably 1 × 10 19 cm −3 or less.
このような濃度であれば犠牲層の増速酸化の割合が小さく、犠牲層の燐濃度プロファイルに万が一面内分布が生じても、ソース領域表面とウェル領域表面の段差を小さくおさえることができる。 With such a concentration, the rate of accelerated oxidation of the sacrificial layer is small, and even if an in-plane distribution occurs in the phosphorus concentration profile of the sacrificial layer, the step between the source region surface and the well region surface can be kept small.
また、ある好ましい実施形態においては、前記工程(m)は前記ソース領域の少なくとも一部の表面に金属を堆積し、熱処理することにより、金属シリサイドを形成してソース電極とする工程であることが好ましい。 In a preferred embodiment, the step (m) is a step of depositing metal on at least a part of the surface of the source region and performing heat treatment to form a metal silicide to serve as a source electrode. preferable.
本発明によれば、燐注入でソース領域を形成するため、窒素注入に比べソース領域を高濃度化でき、もってソースコンタクト抵抗を低減できる。また、従来ソース領域表面のみに燐注入層が存在していたため、ソース領域のみで顕著に増速酸化が起こり、その結果ウェル領域表面とソース領域表面で段差を生じていたが、本発明では少なくともゲート酸化で消費される深さまでウェル領域、ソース領域を含む表面全面に、面内で均一な燐の濃度プロファイルを有する犠牲層を形成しているため、ウェハ全面で均一に増速酸化が起こるため、ソース領域表面とウェル領域表面の段差を低減できる。 According to the present invention, since the source region is formed by phosphorus implantation, the concentration of the source region can be increased as compared with nitrogen implantation, and the source contact resistance can be reduced. In addition, since the phosphorous injection layer is present only on the surface of the source region in the related art, the oxidation rate is significantly increased only in the source region. As a result, there is a step between the surface of the well region and the surface of the source region. Since a sacrificial layer having a uniform phosphorus concentration profile within the surface is formed on the entire surface including the well region and the source region up to the depth consumed by gate oxidation, uniform accelerated oxidation occurs over the entire wafer surface. The step difference between the source region surface and the well region surface can be reduced.
(第1の実施の形態)
以下に、本発明に係る炭化珪素半導体装置の一例である二重注入型MOSFETについて図面を用いて詳細に説明する。図1〜図3は、本発明の実施の形態に係る反転型の二重注入型MOSFETのプロセスフローを示す断面図である。
(First embodiment)
Hereinafter, a double injection type MOSFET which is an example of a silicon carbide semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. 1 to 3 are sectional views showing a process flow of an inversion type double injection type MOSFET according to an embodiment of the present invention.
まず、図1(a)に示す工程で、炭化珪素基板1上に同じく炭化珪素からなるドリフト層2をエピタキシャル成長させる。炭化珪素基板1としては(0001)面から<11−20>方向に向かって例えば8°オフされた主面を有し、n型ドーピング濃度が1×1018cm−3〜5×1019cm−3のものを用意する。次に、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、炭化珪素基板1よりもドーピング濃度の低いドリフト層2をエピタキシャル成長させる。例えば、600V耐圧のMOSFETを製造するのであれば、半導体層2のドーピング濃度は1×1015cm−3〜1×1016cm−3で、厚さを10μm以上にすることが望ましい。
First, in the step shown in FIG. 1A, a
次に、図1(b)に示す工程で、ドリフト層2の表面に図示しないイオン注入マスクを形成し、イオン注入によってウェル領域3を形成する。注入マスクは例えば、CVD法により酸化シリコンを堆積し、フォトリソ、ドライエッチングによってパターニングを行う。注入欠陥を低減するために基板を例えば500℃以上の高温に保って、アルミニウムまたはホウ素をイオン注入することにより、半導体層2の上部にp型のウェル領域3を形成する。ウェル領域3のドーピング濃度は通常1×1015cm−3前後から1×1017cm−3までの範囲であり、その深さはピンチオフしないように1μm前後とする。その後、注入マスクをふっ酸によって除去する。
Next, in the step shown in FIG. 1B, an ion implantation mask (not shown) is formed on the surface of the
さらに、図1(c)に示す工程で、ドリフト層2の表面に図示しないイオン注入マスクを形成し、イオン注入によってソース領域3を形成する。注入マスクは例えば、CVD法により酸化シリコンを堆積し、フォトリソ、ドライエッチングによってパターニングを行う。注入欠陥を低減するために基板を例えば500℃以上の高温に保って、燐をイオン注入することにより、ウェル領域3の内部にソース領域4を形成する。ソース領域4のドーピング濃度は通常5×1019cm−3前後から1×1021cm−3までの範囲であり、その深さは0.3μm前後とする。このとき注入条件を調整することによって、ソース領域4の表面に燐の濃度を一定濃度以下に抑えた犠牲層14を形成する。
Further, in the step shown in FIG. 1C, an ion implantation mask (not shown) is formed on the surface of the
この犠牲層内において燐の濃度をある濃度以下にすれば、段差の形成を抑えることができる。図13の燐注入のデータによれば、燐の注入濃度が減少するほど、注入領域表面の熱酸化膜の膜厚は減少している。データを外挿するとアルミ注入領域、窒素注入領域、あるいは注入なしのベア基板と同程度の膜厚とするには、5×1019cm−3程度以下の濃度であればよいと類推できる。より好ましくは、1×1019cm−3以下の濃度であれば、アルミ注入領域、窒素注入領域、あるいは注入なしのベア基板と同程度の膜厚にすることができる。したがって、犠牲層における燐の濃度を1×1019cm−3以下にすればよい。犠牲層の厚みは、後の工程で形成するゲート酸化膜の膜厚の約50%以上とする。熱酸化膜の形成で消費される炭化珪素の膜厚は、熱酸化膜の密度と炭化珪素の密度の関係から、熱酸化膜の厚みの約50%であるからである。本実施の形態ではゲート絶縁膜の厚みを80nmに設定するので、犠牲層の厚みは約40nmである。 If the phosphorus concentration in the sacrificial layer is set to a certain concentration or less, formation of a step can be suppressed. According to the phosphorus implantation data shown in FIG. 13, the thickness of the thermal oxide film on the surface of the implantation region decreases as the phosphorus implantation concentration decreases. If the data is extrapolated, it can be inferred that the concentration should be about 5 × 10 19 cm −3 or less in order to make the film thickness comparable to that of the aluminum implantation region, nitrogen implantation region, or bare substrate without implantation. More preferably, if the concentration is 1 × 10 19 cm −3 or less, the film thickness can be the same as that of an aluminum implantation region, a nitrogen implantation region, or a bare substrate without implantation. Therefore, the phosphorus concentration in the sacrificial layer may be set to 1 × 10 19 cm −3 or less. The thickness of the sacrificial layer is about 50% or more of the thickness of the gate oxide film to be formed in a later step. This is because the thickness of the silicon carbide consumed in forming the thermal oxide film is about 50% of the thickness of the thermal oxide film because of the relationship between the density of the thermal oxide film and the density of silicon carbide. In this embodiment, since the thickness of the gate insulating film is set to 80 nm, the thickness of the sacrificial layer is about 40 nm.
しかしながら、ソース電極のコンタクト抵抗の低減のためには、ソース電極とソース領域の界面における燐の注入濃度は1×1020cm−3以上であることが好ましく、より好ましくは4×1020cm−3以上である。 However, in order to reduce the contact resistance of the source electrode, the phosphorus implantation concentration at the interface between the source electrode and the source region is preferably 1 × 10 20 cm −3 or more, more preferably 4 × 10 20 cm −. 3 or more.
炭化珪素のn型オーミック電極としてはニッケルを堆積した後、900℃程度に熱処理してニッケルシリサイドを形成するのが一般的である。熱処理を行うとニッケルは炭化珪素と反応して、炭化珪素中に侵入する。したがって、電極と炭化珪素の界面は当初の炭化珪素表面より深くなり、初期のニッケル厚みの75%から150%程度であることを発明者は見出している。 As an n-type ohmic electrode of silicon carbide, nickel is generally deposited and then heat-treated at about 900 ° C. to form nickel silicide. When heat treatment is performed, nickel reacts with silicon carbide and enters silicon carbide. Therefore, the inventor has found that the interface between the electrode and silicon carbide is deeper than the initial silicon carbide surface and is about 75% to 150% of the initial nickel thickness.
本実施の形態ではソース電極として厚み100nmのニッケルを堆積し、950℃の熱処理を施す。したがって、ソース電極と炭化珪素界面は熱酸化で消費されてできた炭化珪素表面から深さ75nmから150nmに形成される。すなわち、注入当初の炭化珪素表面からは115nm〜190nmこの範囲において燐の注入濃度を1×1020cm−3以上にすることが必要である。 In this embodiment mode, nickel having a thickness of 100 nm is deposited as a source electrode, and heat treatment at 950 ° C. is performed. Accordingly, the interface between the source electrode and the silicon carbide is formed to a depth of 75 nm to 150 nm from the surface of the silicon carbide formed by the thermal oxidation. That is, it is necessary that the implantation concentration of phosphorus be 1 × 10 20 cm −3 or more in this range from 115 nm to 190 nm from the silicon carbide surface at the beginning of implantation.
上記のような燐の注入濃度プロファイルは、燐の注入条件を例えばエネルギー240keV、ドーズ量1.0×1016cm−2とすれば実現できる。図8はこの注入条件による注入プロファイルである。図8より表面からの深さ40nmまでの犠牲層において、燐の濃度は1×1019cm−3以下であり、電極が侵入し界面となりうる深さ115nmから190nmにおける燐の濃度は1×1020cm−3以上とすることができる。 The phosphorus implantation concentration profile as described above can be realized by setting the phosphorus implantation conditions to, for example, an energy of 240 keV and a dose of 1.0 × 10 16 cm −2 . FIG. 8 shows an injection profile under this injection condition. In the sacrificial layer having a depth of 40 nm from the surface as shown in FIG. 8, the concentration of phosphorus is 1 × 10 19 cm −3 or less, and the concentration of phosphorus at a depth of 115 nm to 190 nm at which an electrode can penetrate and become an interface is 1 × 10 9. It can be set to 20 cm −3 or more.
注入後、注入マスクをふっ酸によって除去する。 After the implantation, the implantation mask is removed with hydrofluoric acid.
さらに図1(d)に示す工程で、ドリフト層2の表面に図示しないイオン注入マスクを形成し、イオン注入によってコンタクト領域5を形成する。注入マスクは例えば、CVD法により酸化シリコンを堆積し、フォトリソ、ドライエッチングによってパターニングを行う。注入欠陥を低減するために基板を例えば500℃以上の高温に保って、アルミニウムまたはホウ素をイオン注入することにより、半導体層2の上部にp型のコンタクト領域5を形成する。コンタクト領域5のドーピング濃度は通常5×1019cm−3前後から1×1021cm−3までの範囲であり、その深さは0.3μm前後とする。その後、注入マスクをふっ酸によって除去する。コンタクト領域の表面もまた、燐の濃度が、1×1019cm−3以下の犠牲層が形成されたことになる。図1(b)〜(d)に示す工程によって、ドリフト領域2表面、ウェル領域表面3、ソース領域4表面、コンタクト領域5表面の全面にわたって燐の濃度が1×1019cm−3以下となる犠牲層14が形成される。
Further, in the step shown in FIG. 1D, an ion implantation mask (not shown) is formed on the surface of the
その後、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気中で1700℃、30分間の活性化アニールを行う。 Thereafter, activation annealing is performed at 1700 ° C. for 30 minutes in an inert gas atmosphere such as argon.
次に、図2(a)に示す工程で、ドリフト層2の表面にゲート酸化膜6を形成する。ゲート酸化膜の厚みとしては例えば80nm程度である。ウェハを石英管内に保持し、石英管内を1200℃の温度に保った状態でドライ酸素を流量2.5SLM(l/s)で導入して、3時間の熱酸化を行う。これにより、半導体層2の表面上に、ゲート絶縁膜6として厚さ約80nmのシリコン酸化膜を成長させる。このときウェル領域3、ソース領域4、コンタクト領域5、隣接する2つのウェル領域3にはさまれるドリフト層表面の約40nmが消費されてゲート酸化膜となる。この表面から深さ40nmまでの領域は犠牲層14であり、ウェル領域3、ソース領域4、コンタクト領域5、ドリフト層2の表面のいずれも燐は1×1019cm−3の濃度しか含まれないので、それらの表面の熱酸化膜はほぼ同じ厚みになり、したがって、ソース領域4表面とウェル領域3表面の間の段差を低減できる。
Next, a
次に、図2(b)に示す工程で、ゲート電極8を形成する。ゲート電極8の材料としては耐熱性および導電性を有する多結晶シリコンが好ましい。多結晶シリコンの融点は1420℃であり、電極の熱処理温度に比べ十分高い。多結晶シリコンは減圧CVD法にて堆積する。原料ガスとしてはシラン、ホスフィンを用い、95Paの圧力で、成長温度550℃に8時間保つことによって、例えばn型ドーピング濃度7×1020cm−3程度で厚み500nmの多結晶シリコンをゲート酸化膜6上に堆積する。フォトリソ及びドライエッチングによってパターニングを行う。
Next, the
次に、図2(c)に示す工程で、層間絶縁膜9をゲート酸化膜6およびゲート電極8の表面に堆積する。層間絶縁膜9としては絶縁破壊電圧が高く、堆積が容易な酸化シリコンを、例えば常圧CVD法で形成する。厚みとしては例えば1μmである。
Next, an
次に、図2(d)に示す工程で、層間絶縁膜9にドリフト層2表面のコンタクト領域5とソース領域4に到達するコンタクトホール10を開口する。コンタクトホール10の開口には、公知のフォトリソグラフィーとドライエッチングを用いる。ドライエッチングは例えばCHF3やCF4を用いたRIEを行えばよい。このとき層間絶縁膜のみならず、下地のゲート酸化膜も除去し、ドリフト層2の炭化珪素表面を露出させる。
Next, in the step shown in FIG. 2 (d), a
次に、図3に示す工程で、コンタクトホール10を埋めるように、ソース電極11を形成する。ソース電極11としては例えばニッケルを厚み100nm、真空蒸着法やスパッタ法で堆積する。その後、公知のフォトリソグラフィーとエッチングによってパターニングしてから熱処理を行い、ニッケルと炭化珪素を反応させてニッケルシリサイドを形成する。熱処理は例えば窒素などの不活性雰囲気中で例えば950度の熱処理を1分間行う。この熱処理によってニッケルは炭化珪素と反応し、炭化珪素内に侵入する。その表面からの侵入深さは、初期のニッケル厚みの75%から150%程度である。すなわち75〜150nm程度侵入する。したがって、図1(c)で燐の濃度が低い犠牲層を形成し、ゲート酸化後のソース領域4表面に注入濃度の低い領域があったとしても、注入濃度の高い領域まで、ソース電極を侵入させることは可能である。
Next, in the step shown in FIG. 3, the
続いて裏面電極12を形成する。裏面電極12は、基板裏面に接触する第1の電極12aとしてチタンを0.3μm、第2の電極12bとしてニッケルを1μm、第3の電極12cとして銀を1μm堆積した積層膜であり、これも950℃で1分間の熱処理を行う。
Subsequently, the back electrode 12 is formed. The back electrode 12 is a laminated film in which titanium is deposited as a
最後に、表面にソース電極11を接続する上部配線13を形成する。上部配線はアルミニウムを厚み3μm、真空蒸着法やスパッタ法により堆積し、公知のフォトリソグラフィーおよびエッチングによってパターニングする。
Finally, the
このようにして製造された炭化珪素二重注入型MOSFETは、燐注入を用いてソース領域を形成しているので、窒素注入に比べ、高濃度のソース領域を形成することができソースコンタクト抵抗を1×10−5Ω・cm2程度まで低減することができる。また、ソース領域4とゲート絶縁膜との界面とウェル領域3とゲート絶縁膜との界面の基板厚み方向における段差がほとんどなく、少なくとも段差をゲート絶縁膜の膜厚の1/2未満とすることができるので、チャネル抵抗が増大することがない。
In the silicon carbide double-implanted MOSFET manufactured in this way, the source region is formed using phosphorus implantation. Therefore, a source region having a higher concentration can be formed compared to nitrogen implantation, and the source contact resistance can be reduced. It can be reduced to about 1 × 10 −5 Ω · cm 2 . Further, there is almost no step in the substrate thickness direction at the interface between the
なお、本実施形態ではソース電極としてニッケルを堆積し、950℃の熱処理を施すことによってオーミック電極としているが、ソース領域表面の濃度を高濃度、例えば4×1020cm−3以上とする場合は、コンタクト抵抗は高いものの熱処理しなくてもオーミック接触は得られる。 In this embodiment, nickel is deposited as a source electrode and an ohmic electrode is formed by performing heat treatment at 950 ° C. However, when the concentration of the surface of the source region is set to a high concentration, for example, 4 × 10 20 cm −3 or more. Although the contact resistance is high, ohmic contact can be obtained without heat treatment.
なお、本実施の形態では縦型MOSFETの例で説明したが、本発明はソース、ドレイン領域が表面にある横型MOSFETにも適応できる。すなわち、ソース、ドレイン領域を燐をイオン注入して形成する限り、横型MOSFETでも同様な課題が生じ、この課題の解決にも対応できる。 In this embodiment, an example of a vertical MOSFET has been described. However, the present invention can also be applied to a lateral MOSFET having source and drain regions on the surface. That is, as long as the source and drain regions are formed by ion implantation of phosphorus, a similar problem occurs even in the lateral MOSFET, and this problem can be solved.
(第2の実施の形態)
以下に、本発明に係る炭化珪素半導体装置の一例である二重注入型MOSFETについて図面を用いて詳細に説明する。図4〜6は、本発明の実施の形態に係る反転型の二重注入型MOSFETのプロセスフローを示す断面図である。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a double injection type MOSFET which is an example of a silicon carbide semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. 4 to 6 are sectional views showing a process flow of the inversion type double injection MOSFET according to the embodiment of the present invention.
第1の実施の形態ではソース注入のエネルギーを調整することにより、ソース領域4表面に燐の注入を行わないことにより、ウェル領域3、ソース領域4、コンタクト領域5、ドリフト領域2の表面に燐の濃度が1×1019cm−3以下となる犠牲層を形成した。
In the first embodiment, by adjusting the energy of source implantation, phosphorus is not implanted into the surface of the
本実施の形態では、逆にウェル領域3、ソース領域4、コンタクト領域5、ドリフト領域2の表面に、同一プロファイルの燐注入を一括して行うことにより、燐濃度が面内にほぼ均一な犠牲層を形成することを特徴とする。
In the present embodiment, conversely, phosphorus is injected into the surface of the
まず、図4(a)に示す工程で、炭化珪素基板1上に同じく炭化珪素からなるドリフト層2をエピタキシャル成長させる。炭化珪素基板1としては(0001)面から<11−20>方向に向かって例えば8°オフされた主面を有し、n型ドーピング濃度が1×1018cm−3〜5×1019cm−3のものを用意する。次に、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、炭化珪素基板1よりもドーピング濃度の低いドリフト層2をエピタキシャル成長させる。例えば、600V耐圧のMOSFETを製造するのであれば、半導体層2のドーピング濃度は1×1015cm−3〜1×1016cm−3で、厚さを10μm以上にすることが望ましい。
First, in the step shown in FIG. 4A, a
次に、図4(b)に示す工程で、ドリフト層2の表面に図示しないイオン注入マスクを形成し、イオン注入によってウェル領域3を形成する。注入マスクは例えば、CVD法により酸化シリコンを堆積し、フォトリソ、ドライエッチングによってパターニングを行う。注入欠陥を低減するために基板を例えば500℃以上の高温に保って、アルミニウムまたはホウ素をイオン注入することにより、半導体層2の上部にp型のウェル領域3を形成する。ウェル領域3のドーピング濃度は通常1×1015cm−3前後から1×1017cm−3までの範囲であり、その深さはピンチオフしないように1μm前後とする。その後、注入マスクをふっ酸によって除去する。
Next, in the step shown in FIG. 4B, an ion implantation mask (not shown) is formed on the surface of the
さらに、図4(c)に示す工程で、ドリフト層2の表面に図示しないイオン注入マスクを形成し、イオン注入によってソース領域4を形成する。注入マスクは例えば、CVD法により酸化シリコンを堆積し、フォトリソ、ドライエッチングによってパターニングを行う。注入欠陥を低減するために基板を例えば500℃以上の高温に保って、燐イオンを多段注入することにより、ウェル領域3の内部にソース領域4を形成する。注入条件は例えば2段注入で、エネルギー80keV、ドーズ量2.5×1015cm−2、エネルギー180keV、ドーズ量6.0×1015cm−2とする。図9はこの条件による注入プロファイルである。
4C, an ion implantation mask (not shown) is formed on the surface of the
その後、注入マスクをふっ酸によって除去する。 Thereafter, the implantation mask is removed with hydrofluoric acid.
さらに、図4(d)に示す工程で、ドリフト層2の表面に図示しないイオン注入マスクを形成し、イオン注入によってコンタクト領域5を形成する。注入マスクは例えば、CVD法により酸化シリコンを堆積し、フォトリソ、ドライエッチングによってパターニングを行う。注入欠陥を低減するために基板を例えば500℃以上の高温に保って、アルミニウムまたはホウ素をイオン注入することにより、半導体層2の上部にp型のコンタクト領域5を形成する。コンタクト領域5のドーピング濃度は通常5×1019cm−3前後から1×1021cm−3までの範囲であり、その深さは0.3μm前後とする。その後、注入マスクをふっ酸によって除去する。
4D, an ion implantation mask (not shown) is formed on the surface of the
続いて、図5(a)に示す工程で、ドリフト領域2表面、ウェル領域3表面、ソース領域4表面、コンタクト領域5表面にわたって、一様に燐を注入する。本工程を犠牲層注入と名づける。犠牲層注入は燐を表面のゲート酸化で消費される層に面内に均一に形成する。例えばエネルギー30keV、ドーズ量6.0×1015cm−2とする。図10はこの犠牲層注入による燐の注入プロファイルである。ソース領域の注入プロファイルは、先のソース注入と犠牲層注入の重ね合わせとなる。図11は本実施形態におけるソース領域の燐注入プロファイルである。燐を注入して形成した犠牲層の場合、注入プロファイルがテールをひくので、ウェル領域表面の燐が完全になくなるまで熱酸化するとソース領域表面のみ、ソース注入による高濃度の燐が露出し、やはり増速酸化が起こることが考えられるので、犠牲層の燐が若干残るようにしたほうがよい。この場合ウェル領域表面は燐を含むことになる。
Subsequently, in the step shown in FIG. 5A, phosphorus is uniformly implanted over the surface of the
これによって、燐の濃度プロファイルが面内方向にわたって概略均一な濃度プロファイルをもった犠牲層14が表面に形成される。注入条件は例えば注入エネルギーは30keVで、ドーズは例えば3×1013cm−2程度である。この注入条件によれば、ピーク深さが40nm程度、燐のピーク濃度が1×1019cm−3程度のプロファイルが得られる。その後、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気中で1700℃、30分間の活性化アニールを行う。
As a result, a
次に、図5(b)に示す工程で、ドリフト層2の表面にゲート酸化膜6を形成する。ゲート酸化膜の厚みとしては例えば80nm程度である。ウェハを石英管内に保持し、石英管内を1200℃の温度に保った状態でドライ酸素を流量2.5SLM(l/s)で導入して、3時間の熱酸化を行う。これにより、半導体層2の表面上に、ゲート絶縁膜6として厚さ約100nmのシリコン酸化膜を成長させる。このときウェル領域3、ソース領域4、コンタクト領域5、隣接する2つのウェル領域3にはさまれるドリフト層表面の約40nmが消費されてゲート酸化膜となる。この表面から深さ40nmまでの領域は犠牲層14であり、ウェル領域3、ソース領域4、コンタクト領域5、ドリフト層2の表面のいずれも燐は同程度の濃度が含まれているため、それらの表面の熱酸化膜はほぼ同じ厚みになり、したがって、ソース領域4表面とウェル領域3表面の間の段差を低減できる。
Next, a
次に、図5(c)に示す工程で、ゲート電極8を形成する。ゲート電極8の材料としては耐熱性および導電性を有する多結晶シリコンが好ましい。多結晶シリコンの融点は1420℃であり、電極の熱処理温度に比べ十分高い。多結晶シリコンは減圧CVD法にて堆積する。原料ガスとしてはシラン、ホスフィンを用い、95Paの圧力で、成長温度550℃に8時間保つことによって、例えばn型ドーピング濃度7×1020cm−3程度で厚み500nmの多結晶シリコンをゲート酸化膜6上に堆積する。フォトリソ及びドライエッチングによってパターニングを行う。
Next, the
次に、図5(d)に示す工程で、層間絶縁膜9をゲート酸化膜6およびゲート電極8の表面に堆積する。層間絶縁膜9としては絶縁破壊電圧が高く、堆積が容易な酸化シリコンを、例えば常圧CVD法で形成する。厚みとしては例えば1μmである。
Next, an
次に、図6(a)に示す工程で、層間絶縁膜11にドリフト層2表面のコンタクト領域5とソース領域4に到達するコンタクトホール10を開口する。コンタクトホール10の開口には、公知のフォトリソグラフィーとドライエッチングを用いる。ドライエッチングは例えばCHF3やCF4を用いたRIEを行えばよい。このとき層間絶縁膜のみならず、下地のゲート酸化膜も除去し、ドリフト層2の炭化珪素表面を露出させる。
Next, in the step shown in FIG. 6A, a
次に、図6(b)に示す工程で、コンタクトホール10を埋めるように、ソース電極14を形成する。ソース電極14としては例えばニッケルを厚み100nm、真空蒸着法やスパッタ法で堆積する。その後、公知のフォトリソグラフィーとエッチングによってパターニングしてから熱処理を行い、ニッケルと炭化珪素を反応させてニッケルシリサイドを形成する。熱処理は例えば窒素などの不活性雰囲気中で例えば950℃の熱処理を1分間行う。この熱処理によってニッケルは炭化珪素と反応し、炭化珪素内に侵入する。その表面からの侵入深さは、初期のニッケル厚みの75%から150%程度である。すなわち75〜150nm程度侵入する。したがってゲート酸化後のソース領域4表面に注入濃度の低い領域があったとしても、注入濃度の高い領域まで、ソース電極を侵入させることは可能である。
Next, in the step shown in FIG. 6B, the
続いて、裏面電極12を形成する。裏面電極12は、基板裏面に接触する第1の電極12aとしてチタンを0.3μm、第2の電極12bとしてニッケルを1μm、第3の電極12cとして銀を1μm堆積した積層膜であり、これも950℃で1分間の熱処理を行う。
Subsequently, the back electrode 12 is formed. The back electrode 12 is a laminated film in which titanium is deposited as a
最後に、表面にソース電極11を接続する上部配線13を形成する。上部配線はアルミニウムを厚み3μm、真空蒸着法やスパッタ法により堆積し、公知のフォトリソグラフィーおよびエッチングによってパターニングする。
Finally, the
以上説明したように本実施形態では、製造コストの高価なエピタキシャル成長を導入することなく、燐の高濃度注入による増速酸化の影響を抑え、ウェル領域とゲート絶縁膜との界面とソース領域とゲート絶縁膜との界面の基板厚み方向における段差をほとんどなくすことができ、少なくともゲート絶縁膜の膜厚の1/2未満とすることができるので、チャネル抵抗が増大することがない。 As described above, in this embodiment, the influence of accelerated oxidation due to high concentration implantation of phosphorus is suppressed without introducing expensive epitaxial growth at a manufacturing cost, and the interface between the well region and the gate insulating film, the source region, and the gate. Steps in the substrate thickness direction at the interface with the insulating film can be almost eliminated and at least less than ½ of the thickness of the gate insulating film, so that the channel resistance is not increased.
なお、本実施形態ではソース電極としてニッケルを堆積し、950℃の熱処理を施すことによってオーミック電極としているが、ソース領域表面の濃度を高濃度、例えば4×1020cm−3以上とする場合は、コンタクト抵抗は高いものの熱処理しなくてもオーミック接触は得られる。 In this embodiment, nickel is deposited as a source electrode and an ohmic electrode is formed by performing heat treatment at 950 ° C. However, when the concentration of the surface of the source region is set to a high concentration, for example, 4 × 10 20 cm −3 or more. Although the contact resistance is high, ohmic contact can be obtained without heat treatment.
なお、本実施の形態では縦型MOSFETの例で説明したが、本発明はソース、ドレイン領域が表面にある横型MOSFETにも適応できる。すなわち、ソース、ドレイン領域を燐をイオン注入して形成する限り、横型MOSFETでも同様な課題が生じ、この課題の解決にも対応できる。 In this embodiment, an example of a vertical MOSFET has been described. However, the present invention can also be applied to a lateral MOSFET having source and drain regions on the surface. That is, as long as the source and drain regions are formed by ion implantation of phosphorus, a similar problem occurs even in the lateral MOSFET, and this problem can be solved.
本発明によると、炭化珪素半導体装置において、ソース領域のコンタクト抵抗が低く低オン抵抗の炭化珪素半導体装置を実現でき、またウェル領域表面とソース領域表面の段差を低減できるのでチャネル移動度の低下を防止できる。したがって、低オン抵抗の炭化珪素半導体装置の実現に利用できる。 According to the present invention, in the silicon carbide semiconductor device, a silicon carbide semiconductor device having a low contact resistance in the source region and a low on-resistance can be realized, and the step difference between the well region surface and the source region surface can be reduced, so that the channel mobility is reduced. Can be prevented. Therefore, it can be utilized for realizing a low on-resistance silicon carbide semiconductor device.
1 炭化珪素基板
2 ドリフト層
3 ウェル領域
4 ソース領域
5 コンタクト領域
6 ゲート絶縁膜
6a ソース領域表面上のゲート絶縁膜
6b ソース領域以外の表面上のゲート絶縁膜
7 裏面熱酸化膜
8 ゲート電極
9 層間絶縁膜
10 コンタクトホール
11 ソース電極
12 裏面電極
12a 第1の裏面電極
12b 第2の裏面電極
12c 第3の裏面電極
13 上部配線
14 犠牲層
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記半導体基板上に形成された前記基板よりも低濃度の不純物を含む炭化珪素からなるドリフト層と、
前記ドリフト層表面に形成されたp型のウェル領域と、
前記ウェル領域内に形成されたn型のソース領域と、
前記ウェル領域と前記ソース領域を跨るように表面に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記ソース領域の少なくとも一部に形成されたソース電極と
を含む炭化珪素からなる半導体装置であって、
前記ソース領域の、表面の燐の濃度は1×1020cm−3以上であり、
前記ウェル領域と前記ゲート絶縁膜との界面と前記ソース領域と前記ゲート絶縁膜との界面の基板厚み方向における差が前記ゲート絶縁膜の膜厚の1/2未満であることを特徴とする炭化珪素半導体装置。 A semiconductor substrate;
A drift layer made of silicon carbide containing impurities at a lower concentration than the substrate formed on the semiconductor substrate;
A p-type well region formed on the surface of the drift layer;
An n-type source region formed in the well region;
A gate insulating film formed on the surface so as to straddle the well region and the source region;
A gate electrode formed on the gate insulating film;
A semiconductor device comprising silicon carbide including a source electrode formed on at least a part of the source region,
The concentration of phosphorus on the surface of the source region is 1 × 10 20 cm −3 or more,
The carbonization characterized in that the difference in the substrate thickness direction between the interface between the well region and the gate insulating film and the interface between the source region and the gate insulating film is less than ½ of the thickness of the gate insulating film. Silicon semiconductor device.
前記ドリフト層表面にp型不純物をイオン注入してp型のウェル領域を形成する工程(b)と、
前記ウェル領域内に燐をイオン注入してソース領域を形成する工程(c)と
前記ドリフト層表面全面に面内方向にわたって概略均一な濃度プロファイルの燐を含む犠牲層を形成する工程(d)と、
前記工程(b)(c)(d)の後に注入した前記p型不純物と前記燐とを活性化するアニール工程(e)と、
前記活性化アニール後に少なくとも前記犠牲層を含む表面層を熱酸化することによってゲート絶縁膜を形成する工程(f)と、
前記ソース領域の少なくとも一部にソース電極を形成する工程(g)とを
含むことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。 A step (a) of epitaxially growing a drift layer made of silicon carbide containing impurities at a lower concentration than the substrate on a silicon carbide substrate;
(B) forming a p-type well region by ion-implanting p-type impurities into the drift layer surface;
(C) forming a source region by ion implantation of phosphorus into the well region, and (d) forming a sacrificial layer containing phosphorus having a substantially uniform concentration profile over the entire surface of the drift layer over the in-plane direction. ,
An annealing step (e) for activating the p-type impurity and the phosphorus implanted after the steps (b), (c) and (d);
(F) forming a gate insulating film by thermally oxidizing at least the surface layer including the sacrificial layer after the activation annealing;
And (g) forming a source electrode in at least a part of the source region.
前記ドリフト層表面にp型不純物をイオン注入してp型のウェル領域を形成する工程(i)と、
前記ウェル領域内に燐をイオン注入してソース領域を形成する工程(j)と、
前記工程(i)(j)の後に注入した前記p型不純物と前記燐とを活性化するアニール工程(k)と、
前記活性化アニール後に熱酸化することによってゲート絶縁膜を形成する工程(l)と、
前記ソース領域の少なくとも一部にソース電極を形成する工程(m)とを
含み、
前記工程(j)における燐の注入濃度は、前記工程(l)において熱酸化で消費される炭化珪素表面層の深さ範囲内で、1×1019cm−3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 step (h) of epitaxially growing a drift layer made of silicon carbide containing impurities at a lower concentration than the substrate on the silicon carbide substrate;
(I) forming a p-type well region by ion-implanting p-type impurities into the drift layer surface;
(J) forming a source region by implanting phosphorus into the well region;
An annealing step (k) for activating the p-type impurity and the phosphorus implanted after the steps (i) and (j);
Forming a gate insulating film by thermal oxidation after the activation annealing (l);
Forming a source electrode in at least a part of the source region (m),
The phosphorus implantation concentration in the step (j) is 1 × 10 19 cm −3 or less within the depth range of the silicon carbide surface layer consumed by thermal oxidation in the step (l). A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device.
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Cited By (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2010134344A1 (en) * | 2009-05-20 | 2010-11-25 | 三菱電機株式会社 | Silicon carbide semiconductor device and method for manufacturing same |
JP2012064658A (en) * | 2010-09-14 | 2012-03-29 | Denso Corp | Silicon carbide semiconductor device and manufacturing method thereof |
JP5102411B2 (en) * | 2010-09-06 | 2012-12-19 | パナソニック株式会社 | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
JP2013045789A (en) * | 2011-08-22 | 2013-03-04 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | Manufacturing method of silicon carbide semiconductor device |
JP2015115570A (en) * | 2013-12-16 | 2015-06-22 | 住友電気工業株式会社 | Silicon carbide semiconductor device and method of manufacturing the same |
JP2015115569A (en) * | 2013-12-16 | 2015-06-22 | 住友電気工業株式会社 | Silicon carbide semiconductor device and method for manufacturing the same |
EP2998986A1 (en) * | 2014-09-19 | 2016-03-23 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device and method of manufacturing the same |
JP2018157140A (en) * | 2017-03-21 | 2018-10-04 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Semiconductor device and manufacturing method of the same |
CN110556415A (en) * | 2019-09-18 | 2019-12-10 | 深圳爱仕特科技有限公司 | high-reliability SiC MOSFET device of epitaxial gate and preparation method thereof |
CN111128745A (en) * | 2019-12-04 | 2020-05-08 | 深圳第三代半导体研究院 | Manufacturing method of SiC-based MOS device |
US10930773B2 (en) | 2019-03-01 | 2021-02-23 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device |
-
2008
- 2008-04-22 JP JP2008111184A patent/JP2009266871A/en active Pending
Cited By (17)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2010134344A1 (en) * | 2009-05-20 | 2010-11-25 | 三菱電機株式会社 | Silicon carbide semiconductor device and method for manufacturing same |
JP5408248B2 (en) * | 2009-05-20 | 2014-02-05 | 三菱電機株式会社 | Silicon carbide semiconductor device and manufacturing method thereof |
JP5102411B2 (en) * | 2010-09-06 | 2012-12-19 | パナソニック株式会社 | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
CN103477439A (en) * | 2010-09-06 | 2013-12-25 | 松下电器产业株式会社 | Semiconductor device and process for production thereof |
US8653535B2 (en) | 2010-09-06 | 2014-02-18 | Panasonic Corporation | Silicon carbide semiconductor device having a contact region that includes a first region and a second region, and process for production thereof |
JP2012064658A (en) * | 2010-09-14 | 2012-03-29 | Denso Corp | Silicon carbide semiconductor device and manufacturing method thereof |
US8710586B2 (en) | 2010-09-14 | 2014-04-29 | Denso Corporation | SIC semiconductor device and method for manufacturing the same |
JP2013045789A (en) * | 2011-08-22 | 2013-03-04 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | Manufacturing method of silicon carbide semiconductor device |
JP2015115570A (en) * | 2013-12-16 | 2015-06-22 | 住友電気工業株式会社 | Silicon carbide semiconductor device and method of manufacturing the same |
JP2015115569A (en) * | 2013-12-16 | 2015-06-22 | 住友電気工業株式会社 | Silicon carbide semiconductor device and method for manufacturing the same |
EP2998986A1 (en) * | 2014-09-19 | 2016-03-23 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device and method of manufacturing the same |
US10424640B2 (en) | 2014-09-19 | 2019-09-24 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device and method of manufacturing the same |
US10707306B2 (en) | 2014-09-19 | 2020-07-07 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device and method of manufacturing the same |
JP2018157140A (en) * | 2017-03-21 | 2018-10-04 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Semiconductor device and manufacturing method of the same |
US10930773B2 (en) | 2019-03-01 | 2021-02-23 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device |
CN110556415A (en) * | 2019-09-18 | 2019-12-10 | 深圳爱仕特科技有限公司 | high-reliability SiC MOSFET device of epitaxial gate and preparation method thereof |
CN111128745A (en) * | 2019-12-04 | 2020-05-08 | 深圳第三代半导体研究院 | Manufacturing method of SiC-based MOS device |
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